Apostila Eletronica Digital Aula 5

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Eletrônica Digital 
Aula 5 
 
 
 
 
Professor Ederson Cichaczewski 
 
 
 Conversa Inicial 
Olá, seja bem-vindo à quarta aula da disciplina 
“Eletrônica Digital”! 
Neste encontro, abordaremos as memórias não voláteis 
e as voláteis. Veremos também o processo de conversão A/D 
e D/A e os conversores DAC e ADC. 
Confira no material on-line a videoaula do professor 
Ederson. 
 Contextualizando 
É importante entender os circuitos de memória volátil e 
não volátil, sua organização e operação, pois são elementos 
imprescindíveis para o funcionamento dos computadores e 
dos sistemas computacionais. A interface com o mundo 
analógico traz a integração dos circuitos digitais com sensores 
e atuadores, utilizando conversores ADC e DAC. 
Desta forma, o entendimento dos circuitos de memória 
e conversores é fundamental para o engenheiro desenvolver 
projetos de circuitos digitais. 
Confira no material on-line a videoaula com a 
contextualização do professor Ederson. 
 Tema 1 - Memórias não voláteis 
Memória 
Já vimos os flip-flops que armazenam 1 bit e os 
registradores, que são um conjunto de flip-flops. Agora, 
trataremos de dispositivos de memória de alta capacidade. 
 
 
 
Termos importantes: 
 Endereço (address): posição do dado na memória; 
 Operação de leitura (read): coloca um dado no 
barramento de saída; 
 Operação de escrita (write): armazena um dado que 
está no barramento de entrada. 
Exemplo de diagrama de uma memória que trabalha 
com dados de 4 bits: 
 
 
Organização 32x4: 
 32 endereços (5 bits: 25); 
 4 bits de dados. 
Também podemos dizer que esta memória trabalha 
com uma palavra de 4 bits. A capacidade (ou densidade) é o 
total de bits que a memória armazena. Neste exemplo, a 
memória tem capacidade de 32 endereços x 4 bits de dados, 
totalizando 128 bits. 
 
 
Quando os dados são representados com 8 bits, temos 
1 byte de dados. 
Se falarmos em uma capacidade maior, uma outra 
memória de 4K bytes, por exemplo, devemos interpretar esta 
informação da seguinte forma: 
 4K é igual a 212, que é igual a 4 x 210, que é igual a 
4096 endereços; 
 Se a memória armazena 4096 bytes, considerando 
que 1 byte tem 8 bits, quer dizer que a memória tem 
4096 endereços de 8 bits; 
 A capacidade total desta memória é 4096 x 8 = 32.768 
bits; 
 Portanto, podemos dizer que esta memória tem uma 
capacidade de 4K bytes ou de 32K bits. 
Mapa de memória 
Em um mapa de memória representamos os bits de 
dados, que correspondem às células de memória (elementos 
de armazenamento), e também os bits de endereços de cada 
conjunto de células de memória, ou seja, de cada palavra (que 
pode ser de 4 bits, 8 bits, 16 bits etc.). 
Ao lado você confere o exemplo de um mapa de 
memória de 4 bits de dados e 5 bits de endereços: 
 
 
 
Operação de leitura/escrita 
As memórias possuem uma entrada de controle para 
que seja informado qual tipo de operação se deseja realizar, 
se é uma escrita ou se é uma leitura de dados. 
 
 
Entrada de controle de habilitação de escrita (Write 
Enable): 
 ( ) = 0: escrita. 
 ( ) = 1: leitura. 
Entende-se que se a escrita está desabilitada, então a 
leitura está habilitada, não sendo necessário um pino 
separado de habilitação para cada operação. 
Memórias não voláteis - memória apenas de leitura (ROM) 
Usada para armazenar dados que não mudam com 
muita frequência. Ao tirar a alimentação elétrica do circuito 
integrado de memória, os dados continuam armazenados para 
a próxima vez que for alimentado novamente. 
Fazendo uma analogia com os computadores, é o 
equivalente ao disco rígido. 
Diagrama: 
 
 
 
Organização: 
Ex.: 16 endereços de 8 bits. 
Tipos de ROM 
1. PROM – ROM programável 
São memórias que permitem apenas uma gravação, 
também chamadas OTP (one time programmable). 
Internamente, possui fusíveis em cada elemento de memória, 
por padrão os bits são 1, então para programar são 
queimados os fusíveis onde o dado deve ser 0. 
2. EPROM – ROM programável e apagável 
Pode ser regravada várias vezes. O chip deve ser todo 
regravado e necessita de uma tensão maior para programar. É 
apagável por meio de luz ultravioleta (UV) de alta intensidade, 
por alguns minutos. 
 
 
Possui uma janela de quartzo transparente que expõe 
seu circuito de silício. Quando a memória estiver em uso, esta 
janela deve ser coberta. 
 
 
CI comercial: 27C64 (8K x 8). 
3. EEPROM (E2PROM) – PROM apagável eletricamente 
Também pode ser regravada várias vezes e ainda pode 
reescrever dados individualmente. Não necessita de uma 
tensão especial para programação nem de luz UV para ser 
apagada, pois esta operação é realizada eletricamente. 
 
 
 
 
4. Memória FLASH 
Semelhante à E2PROM, mas com velocidade maior de 
apagamento, escrita e leitura. Sua tecnologia permite maior 
capacidade de armazenamento. Por ser mais rápida, tem a 
denominação de “Flash”. 
 
Tecnologias de memória FLASH 
 NOR: primeiros dispositivos como evolução da 
EEPROM, permitem apagamento em blocos. Têm alta 
velocidade de acesso aleatório, usada como memória 
de programa. Por exemplo, pode ser usada para 
armazenar o BIOS de uma placa-mãe de computador 
ou o firmware do microcontrolador de um sistema 
embarcado. 
 NAND: maior capacidade, contudo mais lenta, por 
fazer o armazenamento em setores. Usada para 
armazenamento em massa de dados, como fotos, 
músicas etc. Tem um custo menor que a FLASH NOR. 
É a memória dos Flash Drives USB, conhecidos como 
pendrives. 
Para mais informações sobre a memória não volátil, 
confira no material on-line a videoaula do professor Ederson. 
 
 
 Tema 2 – Memórias voláteis 
RAM – Memória de acesso aleatório (volátil) 
Características: 
 Armazenamento temporário; 
 Perde o seu conteúdo quando a energia é 
interrompida; 
 Mais rápidas que as ROM e FLASH; 
 Consumo de energia é pequeno; 
 Mesma arquitetura das ROM: 
o Operação de leitura; 
o Operação de escrita; 
o Entradas de endereço; 
o Entradas de dados; 
o Saídas de dados; 
o Entradas de controle. 
RAM estática (SRAM) 
Constituída essencialmente de flip-flops. É o tipo mais 
rápido de memória, usada na memória cache do processador. 
Possui uma estrutura interna complexa, não permitem grande 
capacidade e tem alto custo. Uma das suas principais 
características é o tempo de acesso, que é o intervalo entre a 
leitura de um endereço e a disponibilização dos seus dados na 
saída. 
 
 
Normalmente o tempo de escrita é igual ao tempo de 
leitura. 
 Tempo do ciclo de leitura (tRC); 
 Tempo do ciclo de escrita (tWC). 
Abaixo temos alguns exemplos de tempos de escrita e 
leitura de chips de memória: 
 
CI comercial: MCM6264. 
Tempo de acesso: 12ns. 
8192 endereços x 8 bits. 
 
RAM dinâmica (DRAM) 
Constituída essencialmente de capacitores MOS, é uma 
memória de velocidade moderada, que possibilita maior 
capacidade e menor custo que a SRAM. É o chip que vai nos 
pentes de memória do computador, a RAM em si dos 
computadores. 
Necessita de recargas periódicas dos capacitores, ou 
seja, refresh, para não perder os dados. O intervalo de refresh 
é em torno de 2 ~ 8 ms. Possuem um consumo de energia 
mais baixo que as SRAM. 
 
 
Estrutura interna da DRAM 
Ex.: 16K x 1 (16384 endereços de 1 bit) 
 
Multiplexação de endereço 
Com o aumento da capacidade da memória, é 
necessário aumentar as linhas de endereço. Para reduzir o 
número depinos, é feita a multiplexação do barramento de 
endereços de linhas e colunas, ambos usam os mesmos pinos 
de entrada, e pinos de controle fazem o chaveamento. O 
endereço é lido em duas etapas. 
 ( ): strobe do endereço da linha; 
 ( ): strobe do endereço da coluna. 
A barra sobre o nome do pino significa que este é ativo 
em nível baixo. O diagrama abaixo apresenta um exemplo de 
dois momentos, sendo no primeiro momento t1 é feita a leitura 
do endereço da linha, e no segundo momento t3 é feita a 
leitura do endereço da coluna. 
 
Multiplexador externo 
Quando o barramento de endereços do processador é 
maior que o da memória, é necessário o uso de um 
multiplexador externo, para então controlá-lo. 
 
Tecnologias DRAM 
 DRAM FPM: fast page mode – acesso mais rápido 
dentro de uma página (endereços que tem os bits 
mais significativos iguais); 
 DRAM EDO: extended data output – permite 
decodificar um novo endereço enquanto os dados de 
saída são lidos; 
 
 
 SDRAM: síncronas – possui circuitos internos 
complexos que gerenciam a forma de transferir os 
dados mais rapidamente; 
 DDR SDRAM: dupla taxa de dados – transfere dados 
nas bordas de subida e descida do clock do sistema. 
DDR2 usa buffers para taxas 4x mais rápidas. DDR3 
chega a taxas 8x mais rápidas. 
Para mais informações sobre as memórias voláteis, 
confira no material on-line a videoaula do professor Ederson. 
 Tema 3 – Conversão A/D e D/A 
Interface entre o mundo analógico e o digital 
Uma quantidade analógica pode assumir qualquer valor 
ao longo de uma faixa contínua. Normalmente, os circuitos 
digitais são usados para ler e condicionar informações 
analógicas de grandezas físicas, como temperatura, 
humidade, peso, força, vazão, iluminação etc. 
O conversor analógico-digital (A/D ou ADC) faz a 
conversão de um valor em tensão, proporcional à grandeza 
medida, em um valor digital, com um determinado número de 
bits de resolução. Muitas vezes é necessário o circuito digital 
devolver alguma informação para o mundo analógico, como 
um áudio, um nível de luz etc. 
O conversor digital-analógico (D/A ou DAC) faz a 
conversão de um valor binário para um valor em tensão. 
O diagrama abaixo apresenta um sistema que faz a 
leitura de um sinal analógico com um conversor ADC, 
convertendo-o para digital. Ele realiza algum processamento 
em um sistema digital e, com um conversor DAC, converte 
novamente o sinal para analógico, com o objetivo de controlar 
algum atuador, por exemplo. 
 
Processos de conversão 
 Transdutor + sensor: o transdutor converte uma 
grandeza física em grandeza elétrica. O sensor 
consiste no transdutor + um circuito de 
condicionamento de sinal que fornece um nível de 
tensão compatível com o conversor A/D; 
 Conversor A/D: fornece uma saída binária para 
valores analógicos em passos proporcionais ao 
número de níveis correspondentes ao número de bits 
do conversor. Por exemplo: para um sinal de tensão 
máxima de 5 V, um conversor A/D de 8 bits irá ler 256 
níveis, ou seja, 5 V/256 = 19,5 mV para mudar 1 bit; 
 Processador: sistema digital que irá realizar 
operações com os dados adquiridos; 
 Conversor D/A: recebe os dados digitais do 
processador e converte para um valor de tensão 
proporcional à resolução em bits. Segue o mesmo 
cálculo do conversor A/D; 
 Atuador: dispositivo analógico que irá regular a 
intensidade de uma lâmpada, reproduzir um som, 
controlar uma temperatura etc. 
Ao longo do tempo: 
 Sinal analógico: contínuo; 
 Sinal digital: discreto. 
 
 
Para mais informações sobre a conversão A/D e D/A, 
confira no material on-line a videoaula do professor Ederson. 
 Tema 4 – Conversores D/A 
Conversor D/A (DAC) 
Converte um valor representado na forma digital em 
tensão ou corrente proporcional. O valor máximo de tensão da 
saída do DAC é configurado por meio de um pino de tensão 
de referência (Vref). 
Ex.: DAC de 4 bits, saída em tensão. 
 
 
Tabela verdade DAC 4 bits Vref=16V 
 
Temos 24 = 16 níveis de saída. 
 
 
Fator de proporcionalidade ou resolução de tensão: 
Saída analógica = K x entrada digital 
16 V = K x 16 
K= 1 V 
Resolução de tensão 
É a menor variação de tensão na saída analógica em 
função da mudança de 1 bit menos significativo (LSB) na 
entrada digital. Também chamada de degrau. Caso a 
contagem na entrada for crescente do menor até o maior 
valor, a saída apresenta a forma de uma escada, com um 
degrau a cada incremento na contagem. 
 
Especificações de circuitos DAC: 
 Resolução: 8 bits, 12 bits, 16 bits etc.; 
 Precisão: porcentagem do fundo de escala (% FS). 
Ex.: para FS=12V e precisão ±0,01%FS, tem-se ±0,01 
* 12 = ±0,12V de diferença em relação ao valor 
esperado; 
 Erro de offset: idealmente, tem-se 0V na saída para 
uma entrada com todos os bits em 0, mas é possível 
que a saída apresente uma pequena tensão na ordem 
de mV, que é o erro de offset; 
 
 
 Tempo de estabilização: o DAC não tem entrada de 
clock, a saída é automaticamente convertida ao nível 
correspondente à sequência de bits da entrada, 
levando um certo tempo, em torno de 50ηs a 10µs. 
DAC Comercial AD7524 
 Resolução: 8 bits; 
 Saída: em corrente; 
 Tempo de estabilização: 100ηs; 
 Precisão: ±0,2 FS; 
AOP para converter saída para tensão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tema 5 – Conversores A/D 
Conversor A/D (ADC) 
O princípio da conversão analógico-digital é converter 
níveis de tensão em números binários. 
Combinações de números binários: 
 1 bit: 0, 1; 
 2 bits: 00, 01, 10, 11; 
 3 bits: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 e assim 
por diante... 
Uma sequência de 8 bits permite 256 combinações 
diferentes. 
O conversor A/D irá dividir a amplitude em volts, no 
caso de 0 a 5 volts, no número de combinações possíveis 
relacionadas ao número de bits. O processo de conversão A/D 
é mais demorado que o D/A. 
Especificações de um ADC 
 Resolução: número de bits; 
 Erro de quantização: diferença entre o valor real 
analógico e o valor digital associado. Dado em relação 
ao valor de tensão equivalente a um bit menos 
significativo (LSB). Ex.: se 1 LSB é igual a 10mV, um 
erro de ½ LSB resulta em uma saída entre 5mV e 
15mV; 
 Tempo de conversão: o conversor A/D necessita de 
um sinal de clock. O tempo de conversão é dado em 
função da quantidade de bits e do tempo de um pulso 
de clock: tConv = (2N-1) * tclock. Ex.: p/ ADC de 10 
bits e 1MHz de clock, tConv = (210-1) * 1µs = 1023µs. 
 
 
Aquisição de dados 
É o processo pelo qual um dispositivo computacional 
adquire um sinal analógico e o digitaliza. Um ponto adquirido 
do sinal analógico se chama amostra, portanto, o processo de 
adquirir este ponto chama-se amostragem. 
 
Frequência de amostragem FS é a taxa em que as 
amostras são adquiridas por segundo. Se o sinal for periódico, 
para uma aquisição sem perda de informação a frequência de 
amostragem deve ser maior do que 2 vezes a frequência do 
sinal (teorema de Nyquist). 
Para que o ADC adquira um sinal com características 
mais próximas do real, é necessária uma resolução com 
muitos bits e também uma conversão rápida, para possibilitar 
uma maior frequência de amostragem. 
 
 
Reconstrução do sinal 
Usa-se um DAC com a mesma resolução em bits. Usa-
se um filtro passa baixa para remover as transições abruptas 
(degraus), que correspondem a altas frequências. Isso deixa o 
sinal mais próximo do seu formato original. 
 
ADC Comercial:ADC0804 
 Resolução: 8 bits (256 níveis); 
 Resolução de tensão: 19,5mV; 
 Tempo de conversão: 100µs; 
 Precisão: ± ½ LSB; 
 FS: 5V. 
 
Para mais informações sobre os conversores A/D, 
confira no material on-line a videoaula do professor Ederson. 
 Trocando Ideias 
O entendimento sobre os tipos de memórias é 
imprescindível para o desenvolvimento de sistemas digitais e 
computacionais, visto que a memória de dados e de programa 
fazem parte das arquiteturas desses sistemas. 
É muito comum nos referirmos à quantidade de 
memória de programas, como o disco rígido de um 
computador, ou à memória FLASH e RAM de um smartphone, 
que são características de decisão de compra, inclusive 
porque quanto mais memória, melhor será o desempenho do 
dispositivo. 
O mundo analógico também está presente no dia a dia 
das pessoas, também incorporado aos dispositivos 
computacionais. Um smartphone, por exemplo, pode possuir 
um sensor de iluminação, que vai controlar automaticamente o 
nível de brilho do LCD. Todo este processo envolve a 
conversão A/D da intensidade luminosa, o processamento 
desta informação e a atuação no controle de brilho do display. 
 Na Prática 
Para consolidar os conhecimentos desta aula, vamos 
tratar do conversor A/D com “sample and hold” (S/H), que 
significa amostragem e retenção, um tipo especial de ADC que 
possui uma simples memória integrada, baseada em 
capacitor. 
 
 
 
 
Em um conversor A/D sem S/H, o sinal é adquirido em 
determinados instantes de tempo, conforme o gráfico abaixo: 
 
Em um conversor A/D com S/H, o sinal é adquirido em 
determinados instantes de tempo e tem seu nível armazenado, 
ficando constante até a próxima amostragem, conforme o 
gráfico abaixo: 
 
 
Esta característica permite que o valor amostrado do 
sinal não sofra uma possível variação entre uma amostragem 
e outra enquanto o sinal é efetivamente convertido para digital, 
evitando erros no processo de conversão. 
A figura abaixo apresenta um diagrama simplificado do 
circuito de S/H, onde podemos ver o capacitor que armazena 
o nível do sinal analógico: 
 
 
AI: entrada do sinal 
analógico; 
AO: saída do sinal 
analógico constante; 
C: controle do tempo de 
amostragem. 
 
 
 Síntese 
Nesta aula, trabalhamos com memórias ROM e RAM, 
compreendemos a interface com o mundo analógico, por meio 
dos circuitos conversores DAC e ADC. O bom entendimento 
desta aula é fundamental, visto que trata dos circuitos 
integrados de memória e interface com o mundo analógico. 
Confira no material on-line o vídeo de síntese do 
professor Ederson. 
 Referência 
TOCCI, R.; WIDMER, N. S. Sistemas Digitais – Princípios e 
Aplicações. 11. ed. São Paulo: Pearson, 2011.