Apontamento_Sistemas_Digitais_1.pdf

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Sistemas Digitais 
 
Capitulo 1 - Introdução e Conceitos Básicos 
 
 
Introdução 
 
Quando escutamos o termo “digital”, pensamos imediatamente em “calculadora digital” ou 
“computador digital” . Provavelmente, esta associação deve ser atribuída à popularidade que estas 
máquinas adquiriram devida à queda acentuada em seus preços, tornando-se 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 de circuitos digitais. Estes circuitos 
podem ser encontrados em produtos eletrônicos como, por exemplo em videogames, fornos de 
microondas, sistemas de controle automotivos e equipamentos de teste, 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. 
 Nesta disciplina, estudaremos os princípios e técnicas que são comuns a todos os sistemas 
digitais, partindo da mais simples chave liga-desliga ao mais complexo computador. Se esta disciplina 
alcançar o objetivo desejado, certamente você compreenderá, o funcionamento dos sistemas digitais, 
podendo aplicar esse conhecimento na análise e reparo de muitos desses sistemas. 
 
1.1- Conceitos Básicos 
 
 O conceito de Sistema é de aplicação bem ampla, como atestam os Sistemas Físicos, os 
Sistemas Biológicos, os Sistemas Sociais, etc... e pode ser entendido através de sucessivas 
definições: 
 Definição abstrata: Um sistema é uma disposição, conjunto ou coleção de elementos, 
conectados ou relacionados de tal maneira a formarem um todo. 
 Definição específica: Um sistema é uma disposição de componentes físicos (dispositivos), 
conectados ou relacionados de tal maneira a formar e/ou “atuar como” um conjunto. 
 Definição particular: Um sistema de controle é uma disposição de componentes físicos, 
conectados ou relacionados de maneira a comandar, dirigir ou regular a si mesmos ou a outros 
sistemas. 
 
O conceito de sistema é um conceito recorrente. Por exemplo, cada dispositivo pode ser 
encarado como um sistema também constituído, por sua vez, de componentes interrelacionados. Por 
outro lado, um sistema e seu sistema de controle correspondente podem ser vistos como formando 
um sistema de controle maior e se constituem nos componentes deste novo sistema. Nestes casos, 
os componentes podem ser chamados de Sub-Sistemas. 
 
 Um sistema, para ser estudado, deve ser delimitado. Esta delimitação pode ser representada 
por um bloco ou caixa de dois tipos: 
 
 Caixa Branca: todos os dispositivos e todas as conexões e relações entre os mesmos são 
conhecidas. As interface, os circuitos electricos , etc 
 
 Caixa Preta: não se conhece a organização interna do sistema. Apenas temos em atencao os 
valores ou os niveis do sinal na entrada e Saida. 
 
Para observação do comportamento do sistema ao longo do tempo, são selecionadas 
propriedades observáveis. O conjunto dos valores destas propriedades em um dado instante de 
tempo caracterizam o sistema e é denominado de estado. O estado pode ser o conjunto de saídas 
do sistema ou um subconjunto deste. 
 
 
 
 
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Para aprofundar o conhecimento sobre um sistema, é realizada uma modelagem de seu 
funcionamento. Esta representação do sistema é denominado modelo. O modelo de um sistema é, 
portanto, uma abstração da realidade e sua validação normalmente está sujeita a um processo de 
reformulação baseado no comportamento observado. Um modelo pode ser construído de vários 
modos. Por exemplo, um sistema pode ser representado por: 
 
 Relação Matemática: é realizada quando não houver interesse nos detalhes do funcionamento 
interno do sistema e quando for possível estabelecer um mapeamento (função) entre as entradas 
e as saídas, que possa ser representado por meio de uma expressão matemática. 
 Diagrama de Blocos: é realizada quando há interesse em mostrar os dispositivos que o 
constituem e o modo como estes estão relacionados. Estes componentes físicos são 
representados por Blocos Funcionais conforme a figura 1 abaixo. 
 
 
 variáveis variável 
 de . . de 
 entrada 
 . 
 . saída 
 
 
 Figura 1: Bloco Funcional 
 
Tendo em vista como os blocos funcionais são interligados é possível classificar os sistemas 
(de controle) como Sistemas de Malha Fechada ou de Malha Aberta. Estes sistemas podem ser 
definidos da seguinte forma: 
 
 Sistemas de Malha Fechada: São sistemas onde há ligação de pelo menos uma saída de algum 
bloco funcional para uma de suas próprias entradas, ou para alguma entrada de outro bloco que 
lhe seja anterior. Entende-se por bloco anterior a um dado bloco funcional, qualquer um que 
contribua para a formação das entradas do bloco em questão. Este tipo de interligação é 
denominado de realimentação. 
 Sistema de Malha Aberta: São sistemas onde não há realimentação. 
 
Considerando os sinais manipulados por cada sistema particular, os sistemas podem ser 
classificados de três modos: 
 
1.2- Conceito de Sistemas Digitais 
Sistema digital: resulta da combinação de dispositivos desenvolvidos para manipular quantidades 
físicas ou informações que são representadas na forma digital; isto é, tal sistema só pode manipular 
valores discretos. Na sua grande maioria, estes dispositivos são eletrônicos, mas também podem ser 
mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. As calculadoras e computadores digitais, os relógios digitais, 
os controladores de sinais de tráfego e as máquinas de escrever são exemplos familiares de sistemas 
digitais. 
 
Sistema analógico: formado por dispositivos que manipulam quantidades físicas representadas sob 
forma analógica. Nestes sistemas, as quantidades variam continuamente dentro de uma faixa de 
valores. Por exemplo, a amplitude do sinal de saída no alto-falante de um rádio pode assumir 
qualquer valor entre zero e o seu limite máximo. Os equipamentos de reprodução e gravação de fitas 
magnéticas são outros exemplos comuns de sistemas analógicos. 
 
Sistema Híbrido: possui sinais do tipo digital e do tipo analógico. 
 
Vantagens das Técnicas Digitais 
 
 A utilização das técnicas digitais proporcionou novas aplicações da eletrônica bem como de 
outras tecnologias, substituindo grande parte dos métodos analógicos existentes. As principais razões 
que viabilizam a mudança para a tecnologia digital são: 
1. Os sistemas digitais são mais fáceis de projetar. Isto é devido ao fato de os circuitos 
empregados nos sistemas digitais serem circuitos de chaveamento, em que os valores exatos da 
tensão ou da corrente dos sinais manipulados não são tão importantes, bastando resguardar a 
faixa de operação (ALTO ou BAIXO) destes sinais. 
 
BLOCO 
FUNCIONAL 
 
 
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2. O armazenamento da informação é fácil. Circuitos especiais de chaveamento podem reter a 
informação pelo tempo que for necessário. 
3. Precisão e exatidão são maiores. Os sistemas digitais podem trabalhar com tantos dígitos de 
precisão quantos forem necessários, com a simples adição de mais circuitos de chaveamento. 
Nos sistemas analógicos, a precisão geralmente é limitada a três ou quatro dígitos, porque os 
valores de tensão e corrente dependem diretamente dos componentes empregados. 
4. 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 (programa). Os sistemas analógicos também podem ser programados, mas a 
variedade e a complexidade das operações envolvidas são bastante limitadas. 
5. Circuitos digitais são menos afetados por ruído. Ruídos provocados por flutuações na tensão 
de alimentação ou de entrada , ou mesmo induzidos externamente, não são tão críticos em 
sistemas digitais porque o valor exato da tensão não é tão importante, desde que o nível do ruído 
não atrapalhe a distinção entre os níveis ALTO e BAIXO. 
6. 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 
permitiriam que os circuitos analógicos atingissem o mesmo grau de integração dos circuitos 
digitais. 
 
 
Limitações das Técnicas Digitais 
 
 Só existe uma grande desvantagem para o uso das técnicas digitais: 
O mundo real é predominantemente analógico 
 
 A grande maioria das variáveis (quantidades) físicas são, em sua natureza, analógicas, e 
geralmente elas são as entradas e saídas que devem ser monitoradas, operadas e controladas por 
um sistema. Como exemplo temos a temperatura, a pressão, a posição, a velocidade, o nível de um 
líquido, a vazão e outros mais. Via de regra, expressamos estas variáveis digitalmente como quando 
dizemos que a temperatura é de 64
0
 (63,8
0
 para ser mais preciso); na realidade, porém, estamos 
fazendo uma aproximação digital de uma quantidade analógica. 
 Para se tirar proveito das técnicas digitais quando lidamos com entradas e saídas analógicas, 
três etapas devem ser executadas: 
1. Converter o “mundo real” das entradas analógicas para a forma digital. 
2. Processar (ou operar) a informação digital. 
3. Converter as saídas digitais de volta para o mundo real, em sua forma analógica. 
 
A figura a seguir mostra o diagrama em blocos para um sistema de controle de temperatura, em 
que a temperatura, que é uma quantidade analógica, é medida, e seu valor é então transformado em 
uma quantidade digital por um conversor analógico-digital (ADC). O valor digitalizado é processado 
por circuitos digitais que poderão ou não incluir um computador digital. A saída digital é novamente 
convertida à sua forma analógica original por um conversor digital-analógico (DAC). O valor resultante 
alimenta um controlador que atua no sentido de ajustar a temperatura. 
 
 
Diagrama em 
blocos de um 
sistema de con-
trole de tempe-
ratura que neces-
sita de conver-
sões analógico 
/digitais para que 
se faça uso das 
técnicas de pro-
cessamento digi-
tais. 
 
 
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A necessidade das conversões AD/DA da informação pode ser considerada uma desvantagem, 
porque introduz complexidade e maior custo aos sistemas. Outro fator muito importante é o tempo 
extra gasto na conversão. Em muitas aplicações, este tempo é compensado pelas inúmeras 
vantagens advindas da técnica digital, sendo então muito comum o emprego de conversões AD/DA 
na tecnologia atual. 
Em determinadas situações, porém, o uso das técnicas analógicas é mais simples e econômico. 
Por exemplo, o processo de amplificação de sinais é muito mais fácil quando realizado por circuitos 
analógicos. 
Hoje em dia, é muito comum a utilização de ambas as técnicas em um mesmo sistema, visando 
às vantagens de cada um. No projeto destes sistemas híbridos, o mais importante é determinar quais 
partes serão digitais e quais serão analógicas. 
Finalmente, é importante observar que, devido aos benefícios econômicos proporcionados pela 
integração dos circuitos, as técnicas digitais serão utilizadas com intensidade cada vez maior. 
 
Modelo de Sistema Digital 
Um sistema digital é qualquer sistema para o processamento da informação em que esta 
consiste em sinais discretos. Normalmente, os sistemas digitais são sistemas binários, ou seja, 
sistemas onde a unidade de informação é o bit e os sinais podem assumir apenas dois valores 
discretos 0 1 1. Isso acontece em virtude da facilidade de se encontrar dispositivos que trabalham em 
dois níveis ou estados, tais como nível–alto/nível-baixo, ligado/desligado (on/off), verdadeiro/falso, 
fechado/aberto, presença/ausência, etc..., como também em virtude da vantagem que estes 
dispositivos levam em termos de confiabilidade. 
 As informações processadas em um sistema digital podem ser classificadas em dois tipos, de 
acordo com a finalidade a que se destinam: os sinais a serem processados, denominados de dados, 
e os sinais de controle, utilizados para controlar o processamento dos dados. Estes sinais podem 
ser caracterizados da seguinte forma: 
 
 Sinais de Dados: Normalmente, são os sinais do tipo nível (sinal que permanece em um dos 
níveis, L ou H, por períodos indefinidos de tempo e que muda de valor apenas a intervalos de 
tempo grandes, comparados com a duração do pulso) e constituem em conjuntos ordenados de 
bits representados por variáveis do tipo vetor. Em geral, os dados são constituídos por um grande 
número de bytes que recebem processamento semelhante. Os sinais de dados podem ser de 
entrada ou de saída. 
 Sinais de Controle: Normalmente, são sinais do tipo pulso (é o sinal que normalmente 
permanece em um nível, usualmente L, e que passa para outro nível apenas durante um intervalo 
de tempo “muito pequeno”) ou nível e consistem em um pequeno número de bits 
representados por variáveis do tipo escalar. 
A informação de controle pode ser de dois tipos: 
 Comandos: São sinais utilizados para selecionar e iniciar processamentos, e podem ser externos 
ou internos ao sistema. 
 Estado: São sinais que informam as condições ocorridas durante o processamento dos dados. 
São também denominados de sinais de status. 
Um sistema digital pode ser modelado através de um bloco, como indicado na figura a seguir. 
Os sinais de entrada e os sinais de saída são representados, respectivamente, por linhas entrando no 
bloco e saindo do bloco que representa o sistema. No caso dos dados são usados conjuntos de 
linhas representados por linhas duplas, enquanto que, no caso dos sinais de controle são usadas 
linhas individual 
 
 
Dados de Dados de 
Entrada Saída 
 
 
 Sinais de 
 Controle 
 
 
Figura 2- Modelo de Sistema Digital 
 
 
 
 
 SISTEMA 
 
 DIGITAL 
 
 
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Para examinar a organização interna de um sistema digital, o modelo apresentado pode ser 
detalhado. Neste modelo, as funções de processamento dos dados e de processamento dos sinais 
de controle são separadas em duas diferentes estruturas, denominadas de Estrutura de 
Processamento (EP) e Estrutura de Controle (EC). 
 
 Estrutura de Processamento: especifica todos os dados de entrada, dados intermediários e 
dados de saída, bem como todos os sinais de controle, inclusive sinais de status, que sejam 
necessários. 
 Estrutura de Controle: especifica a ordem em que os sinais de controle devem ser produzidos 
em resposta aos comandos externos e aos sinais de status. 
 
É possível classificar os sistemas digitais em Sistemas Assíncronos e Sistemas Síncronos, de 
acordo com o modo de execução do fluxo de dados. A caracterização destes sistemas pode ser 
realizada do seguinte modo: 
 
 Sistema Assíncrono: Neste tipo de sistema, uma nova sub-tarefa é iniciada imediatamente após 
o término da sub-tarefa que a precede no fluxo de dados. Para tanto, cada sub-tarefa
deve 
produzir um sinal de status que sinalize seu término para a Estrutura de Controle, de forma que 
esta possa comandar o início da sub-tarefa seguinte. 
 Sistema Síncrono: Neste tipo de sistema, há um sinal de controle geral, normalmente um sinal 
periódico do tipo pulso denominado relógio (clock). Os pulsos ocorrem regularmente a cada 
período T. Todas as sub-tarefas ou eventos ocorrem em sincronismo com algum pulso, ou seja, o 
pulso é usado para comandar o início das sub-tarefas. Não é necessário sinalizar o término das 
sub-tarefas pois, durante o projeto do sistema, deve ter sido definido o tempo máximo de duração 
de cada uma delas. A Estrutura de Controle deve se encarregar de fornecer o comando de início 
de cada sub-tarefa em sincronismo com o pulso que ocorre no instante apropriado. 
 
Os sistemas mais utilizados são os sistemas síncronos, pois permitem que se conheça 
exatamente os instantes de ocorrência dos eventos. Isto possibilita que se detecte e se corrija falhas 
no projeto ou de operação mais facilmente. Por outro lado, em geral, os sistemas assíncronos são 
usados para comunicação entre sistemas síncronos. 
 
É possível também classificar os sistemas digitais em Sistemas Paralelos e Sistemas Seriais, 
de acordo com o modo como os bits individuais dos dados são processados. A caracterização destes 
sistemas pode ser realizada do seguinte modo: 
 
 Sistema paralelo: Neste tipo de sistema, todos os bits de cada vetor de dados são processados 
simultaneamente. 
 Sistema Serial: Neste tipo de sistema, os bits de cada vetor de dados são processados 
individualmente, ou seja, de modo seqüencial. 
 
A escolha de um sistema serial ou paralelo deve levar em conta o compromisso entre custo e 
velocidade. O sistema paralelo é mais rápido, porém, mais caro, pois utiliza a duplicação de 
dispositivos para poder realizar o processamento simultâneo. Por outro lado, o sistema serial é mais 
lento, porém mais barato, pois utiliza o compartilhamento de dispositivos para processar um bit de 
cada vez. 
O processamento realizado pelos sistemas digitais é, em grande parte, representado pelo 
processo de “tomada de decisões” que consiste na dedução lógica de uma resposta em função das 
condições de entrada. O processamento digital é, portanto, governado pelas regras da Lógica, 
segundo as quais as condições de entrada e a decisão de saída só podem assumir um entre dois 
valores: Falso ou Verdadeiro. A falsidade ou veracidade da saída (decisão) é deduzida da falsidade 
ou veracidade das entradas (condições) tendo em vista o relacionamento lógico entre estas. As 
saídas são, então, Funções Lógicas das entradas. 
A representação das funções lógicas pode ser realizada utilizando-se expressões 
matemáticas e diagrama de blocos. Os blocos funcionais usados para representar as funções lógicas 
elementares são denominados, de um modo geral, de blocos lógicos ou, mais particularmente de 
“portas lógicas”. Funções lógicas mais complexas podem ser obtidas em termos de combinações 
das funções elementares e a representação destas funções em termos de diagrama de blocos é 
denominada de Diagrama Lógico ou Circuito Lógico. 
 
 
 
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A Análise e Projeto de Sistemas Digitais é convertida na Análise e Projeto de Circuitos 
Lógicos. Os circuitos lógicos podem ser classificados em dois tipos: 
 
 Circuitos Combinacionais: As saídas em qualquer instante de tempo dependem apenas dos 
valores das entradas nesse instante de tempo. A Estrutura de Processamento utiliza, 
normalmente, este tipo de circuito. 
 Circuitos Seqüenciais: As saídas em um dado instante de tempo dependem não só dos valores 
das entradas nesse instante de tempo, mas também dos valores em instantes anteriores: ou seja, 
estes circuitos possuem memória. A Estrutura de Controle utiliza, normalmente, este tipo de 
circuito. 
 
Nos modernos sistemas digitais, quase todos os circuitos apresentam-se na forma integrada 
(CI). Dada a grande variedade disponível de CIs lógicos, tornou-se possível a construção de sistemas 
digitais complexos bem menores e mais confiáveis do que os sistemas equivalentes construídos com 
componentes discretos. 
Estudaremos os principais tipos de circuitos lógicos que normalmente são utilizados em 
sistemas digitais. 
 
 
 
Questionarios de consolidaçao 
 
Questao#1: Qual a diferença entre sistemas do tipo Caixa Preta e Caixa Branca ? 
 
Questao#2: O que é um Bloco Funcional ? 
 
Questao#3: Qual a diferença entre sistemas do tipo Malha Fechada e Malha Aberta ? 
 
Questao#4: Qual a diferença entre sistemas Analógicos, Digitais e Híbridos 
 
Questao#5: Quais as vantagens das técnicas digitais sobre as analógicas ? 
 
Questao#6: Qual é a principal limitação do uso das técnicas digitais ? 
 
Questao#7: Qual a diferença entre sistemas Seriais e Paralelos ? 
 
Questao#8: Descreva as vantagens apresentadas pela transmissão paralela e serial de dados 
binários. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Capitulo 2 – Introducao ao projecto de sistemas digitais 
Aboradagem Descendente: decompõe o 
sistema em subsistemas que são por sua 
vez decompostos em subsistemas até 
atingir o níve de abtração desejado. 
• Desafio: obter a decomposição adequada 
para cada nível para que no final os 
critérios de projeto (área, desempenho, 
Abordagem Ascendente: conecta 
módulos disponíveis para formar 
subsistemas que por sua vez são 
conectados para formar subsistemas até 
que a especificação funcional seja 
satisfeita. 
• Desafio: trabalhar com um conjunto 
muito grande de subsistemas pequenos 
para compor um sistema muito complexo.