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1 CAPÍTULO 3 DESCREVENDO CIRCUITOS LÓGICOS • Na álgebra booleana as constantes e variáveis podem ter apenas dois valores possíveis: 0 ou 1. • As variáveis booleanas representam o nível de tensão presente em uma conexão ou em um terminal de entrada/saída. O nível de tensão em circuitos digitais é referido como valor lógico 0 ou 1. A tabela abaixo mostra alguns termos usados para esses níveis lógicos. •A álgebra booleana tem apenas três operações básicas: OR (OU), AND (E) e NOT (NÃO) Estas operações básicas são denominadas operações lógicas. Elas são fisicamente realizadas por circuitos eletrônicos, chamados por circuitos lógicos (ou portas lógicas). 3.1- Constantes e Variáveis Booleanas 2 Valor Valor 3.2-Tabela-verdade 3 • A tabela-verdade descreve como a saída de um circuito lógico depende dos níveis lógicos presentes nas entradas do circuito. • O número de combinações de entrada é igual a 2N para uma tabela-verdade de N entradas. A lista de todas as combinações possíveis é uma sequência de contagem binária, por isso é muito fácil preencher uma tabela sem esquecer nenhuma combinação. Exemplos: Tabela verdade segue a sequência de contagem binária 20 21 22 23 8 8 1 2 4 8 4 2 saída muda a cada contagem muda depois duas contagem muda depois de 4 contagens muda depois de 8 contagens 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 21 20 muda a cada contagem 3.3- Operações OR (“OU”) e a Porta OR 4 Operação OR A expressão booleana para a operação OR é: x = A + B A expressão x = A + B é lida como “x é igual a A OR B”, o que significa que x será 1 quando A ou B forem 1. Porta OR Símbolo padrão da porta OR Tabela-Verdade Símbolo alternativo da porta OR Uma porta OR é um circuito que tem duas ou mais entradas, cuja saída é igual à combinação OR das entradas. saída nível BAIXO quando todas as entrada for nível BAIXO. saída nível ALTO quando qualquer uma das entrada for nível ALTO. qualquer todas Porta OR de 3 entradas 5 A porta OR gera uma saída ALTA sempre que qualquer uma das entradas for ALTA. Sequência de contagem binária ↓ 6 Exemplo 3.1- Exemplo do uso de uma porta OR em um sistema de alarme. VT > VTR → TH será nível ALTO VP > VPR → PH será nível ALTO As saídas dos dois comparadores são normalmente nível BAIXO. 3.4- Operação AND (“E”) e a Porta AND A operação AND é similar a multiplicação convencional. A operação E resulta 0 (zero) se pelo menos uma das variáveis de entrada for 0 (BAIXA) A expressão booleana para a operação AND é: X = A • B = AB — Leia “X é igual a A e B ”. Tabela-Verdade Símbolo padrão da Porta AND 7 Porta AND Símbolo alternativo da porta AND Uma porta AND é um circuito que tem duas ou mais entradas, cuja saída é igual à combinação AND das entradas. saída nível BAIXO quando qualquer uma das entrada for nível BAIXO. saída nível ALTO quando todas as entrada for nível ALTO. todas qualquer Porta AND de 3 entradas 8 A porta AND gera uma saída ALTA somente quando todas as entradas forem ALTAS. todas 3.5- OPERAÇÃO NOT (NÃO) ou INVERSÃO A expressão booleana para a operação NOT: É a operação cujo resultado é simplesmente o valor complementar ao que a variável apresenta. O valor complementar será 1 se a variável vale 0 e será 0 se a variável vale 1. — Leia: X = A A' = A A barra superior representa a operação NOT. Outro indicador de inversão é o símbolo ('). Tabela-verdade NOT 9 A barra ou NÃO A Também conhecido como complemento A X = A Circuito NOT (INVERSOR) Um circuito NOT é comumente chamado de INVERSOR. Esse circuito tem uma única entrada, e a lógica da saída é sempre oposta ao nível da lógica da entrada. 10 Símbolo padrão do INVERSOR Símbolo alternativo do INVERSOR ↗ 11 Aplicação típica da porta NOT A Queremos saber se a chave não está fechada (botão não está pressionado); por isso, esse circuito fornece x verdadeiro quando isso ocorre. chave aberta (chave não fechada) → A = 0 → x = = 1 (verdadeiro) chave não aberta (chave fechada) → A = 1 → x = = 0 ( falso ) Ax A A Resumo das operações Booleanas Regras resumidas para OR, AND e NOT 12 13 3.6- DESCREVENDO CIRCUITOS LÓGICOS ALGEBRICAMENTE Precedência de operador Se uma expressão tiver operações AND e OR, a operação AND é realizada primeiro, a menos que existam parênteses na expressão. 14 Circuitos com INVERSORES lógicos 15 3.7- AVALIANDO AS SAÍDAS DOS CIRCUITOS LÓGICOS 3.8- IMPLEMENTANDO CIRCUITOS A PARTIR DE EXPRESSÕES BOOLEANAS Estudar Estudar 3.9- PORTAS NOR E PORTAS NAND 16 Tabela verdade Símbolo padrão da NOR A porta NOR é uma porta OR invertida. Expressão booleana Símbolo alternativo da NOR Porta NOR (NÃO OU) A B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 BA x A B saída nível ALTO quando todas as entrada for nível BAIXO. saída nível BAIXO quando qualquer uma das entrada for nível ALTO. todas qualquer Porta NAND (NÃO-E) A porta NAND é uma porta AND invertida. Expressão booleana 17 Símbolo padrão da NAND Tabela verdade Símbolo alternativo da NAND A B 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 AB x AB saída nível ALTO quando qualquer uma das entrada for nível BAIXO. saída nível BAIXO quando todas as entrada for nível ALTO. todas qualquer 3.10- TEOREMAS BOOLEANOS Os seguintes teoremas ajudam a simplificar expressões e circuitos lógicos. x é uma variável lógica que pode ser 0 e 1. Teoremas para uma única variável 18 Teoremas com mais de uma variável 19 Leis associativas Leis distributivas (podemos fatorar, colocar em evidência os termos comuns) Leis comutativas (14) (15a) (15b) yxyxx yxxyx xxyx Os teoremas (14) e (15) não possuem equivalentes na álgebra comum. Cada um deles pode ser provado testando todos os casos possíveis para x e y. Demonstrando teoremas 20 (14) (15a) (15b) yxyxx yxxyx xxyx 21 Usando a algebra booleana para provar o teorema (14) Testando todos os casos possíveis para provar o teorema (14) Tabela de análise para teorema (14) Fatorando o teorema (14) 21 ----------------------------------------------------------- (14) x + xy = x ↑ ↑ X 0 0 1 1 22 Prove os teoremas 15a e 15b usando a álgebra booleana. yxyxx yxxyx 15b) 15a) yxyx1.x yx)1y(x yxxxy x)xx(y yxx1.y xy1.x xy)1y(x xyxyx x)xx(y xyxy 1. Solução: Problema 3.22 - pag. 96 Prove os teoremas (15a) e (15b) testando todos os casos possíveis. Fazer x xy x y x xy x y 15b) 15a) x = x.1 1 = y +1 x = x.1 1 = y +1 ↓ ↓ ↓ ↓ Exercício Extra 1 3.11- TEOREMAS DE DeMORGAN Teoremas de DeMorgan são extremamente úteis na simplificação de expressões em que uma soma ou o produto das variáveis é invertida. Cada um dos teoremas de DeMorgan pode ser facilmente comprovado por meio da verificação de todas as combinações possíveis de x e y (testando todos os casos possíveis). 23 Implicações dos teoremas de DeMorgan Símbolo alternativo da NOR 24 . .x y x y x y x y ≡ Símbolo padrão da NOR yxyx . Teorema (16) x xOnde: Símbolo alternativo da NAND 25 ≡ Símbolo padrão da NAND yxxy .x y x y x y xy xy Teorema (17) x xOnde: 26 ≡ Símbolo alternativo da AND .x y x y xy Símbolo alternativo da OR ≡ yxyxy.x Símbolo padrão da AND Símbolo padrão da OR .x y x y x y x y x y yxxyxy Símbolo padrão do INVERSOR Símbolo alternativodo INVERSOR xx x x xy yx yx. yx Usando os teoremas de DeMorgan podemos provar que o símbolo alternativo é equivalente ao símbolo padrão, onde pequeno círculo representa uma operação de inversão. 3.12- UNIVERSALIDADE DAS PORTAS NAND E NOR Portas NAND ou NOR podem ser usadas para implementar as três operações lógicas básicas: OR , AND e NOT Proporciona flexibilidade e é muito útil no projeto de circuitos lógicos. 27 → 28 É possível implementar qualquer expressão lógica usando apenas portas NAND e nenhum outro tipo de porta, como mostrado. Universalidade da porta NAND BABABAx . ABABx .x A B A B A B Portas NOR podem ser organizadas para implementar cada uma das operações booleanas, como mostrado. Universalidade da porta NOR 29 ABBABAx . . .x A B A B A B 30 Exemplo 3.18 - pag. 74 Cada CI é quádruplo, significa que ele contém quatro portas lógicas idênticas em um chip. CDABx Circuito AND-OR OR AND 31 Elimina as portas 3 e 5 e as 4 e 6, duplas inversões. As portas NAND 3 e 5 estão conectadas como INVERSORES em série, realizando uma dupla inversão no sinal, portanto elas podem ser eliminadas do circuito. CDABCDABCDABx . Circuito NAND-NAND Circuito AND-OR ↙5 ↙3 32 Problema 3.36 - Simplifique cada uma das seguintes expressões usando os teoremas de DeMorgan. (a) (c) (g) CBA CDAB DCBA )( (i) DCAB Obs: Sempre comece quebrando a barra mais externa para simplificar as expressões. Barra mais externa ↘ Barra mais externa ↘ Barra mais externa ↘ Barra mais externa ↘ Resposta: (a) A B C A B CD (c) A B C D (g) (i) AC BC D 33 3.13- SIMBOLOGIA ALTERNATIVA PARA AS PORTAS LÓGICAS Para converter um símbolo-padrão em um símbolo alternativo, siga os seguintes passos: inverta cada entrada e saída do símbolo-padrão. Isso é feito acrescentando círculos de inversão nas entradas e saída que não têm círculos, ou remova os círculos, caso existam. Os símbolos padrão e alternativo representam o mesmo circuito físico, para cada porta; não há diferenças nos circuitos representados pelos dois símbolos. Trocar o símbolo da operação é: Se o símbolo for troque por Se o símbolo for troque por Figura 3.33- Símbolos-padrão e alternativos para as portas lógicas 34 Interpretação de símbolos lógicos 35 Cada um dos símbolos das portas lógicas gera uma única interpretação de como a porta opera. Antes de demonstrar essas interpretações , temos que entender o conceito de nível lógico ativo. Conceito de nível lógico ativo • Quando a linha de entrada ou de saída em um símbolo de um circuito lógico não tem um pequeno círculo, diz que ela é ativa-em-ALTO. • Quando a linha de entrada ou de saída em um símbolo de um circuito lógico tem um pequeno círculo, diz que ela é ativa-em-BAIXO. A ausência ou presença de um pequeno círculo determina o estado de ativação (ativa-em-ALTO / ativa-em-BAIXO) de entradas e saídas de um circuito, e isso é usado para interpretar a operação do circuito. Interpretação dos dois símbolos da porta AND A B A + B = A . B Saída vai para o nível ALTO quando todas as entradas forem para o nível ALTO Saída vai para o nível BAIXO quando qualquer entrada for para o nível BAIXO. 36 Interpretação dos dois símbolos da porta OR qualquer , ou todas, e ABx A B qualquer todas todas qualquer Método de interpretação de símbolos lógicos Quando um sinal de lógica está no estado ativo (que pode ser ALTO ou BAIXO), diz-se que está ativo ou acionado. Quando um sinal de lógica está no estado inativo (que pode ser ALTO ou BAIXO) é dito ser inativo ou não acionado. A barra sobre um sinal significa ativo em BAIXO. RD RD A ausência de uma barra significa ativo em ALTO. 37 Níveis de acionamento A ausência de um circulo em uma entrada ou saída também indica ativo ALTO A presença de um círculo em uma entrada ou saída também indica ativo BAIXO Identificando sinais lógicos ativos em nível BAIXO A barra sobre o nome é simplesmente um modo de frisar que esses sinais são ativos em nível BAIXO. Sempre vai existir um pequeno círculo para indicar ativo BAIXO. Um sinal pode ter dois estados ativos, com uma função importante no estado ALTO e outra no estado BAIXO. É costume rotular esses sinais para que ambos os estados ativos estejam aparentes. RD / WR Quando esse sinal está ALTO, realiza-se a operação ler (RD); Quando é BAIXO, realiza-se a operação escrever (WR). Um exemplo comum é o sinal de ler / escrever 38 Identificando sinais de dois estados 3.14- Que simbologia de porta lógica usar Circuito usando apenas símbolo NAND padrão. Esta representação não facilita a interpretação do circuito. Este diagrama deve ser usado quando a saída Z for ativa em nível ALTO. Esta representação facilita a interpretação do circuito. O uso adequado das simbologias das portas no diagrama de circuito pode tornar a interpretação do circuito muito mais clara. 39 Este diagrama deve ser usado quando a saída Z for ativa em nível BAIXO. Esta representação facilita a interpretação do circuito ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↙ ↙ ↙ Circuito usando símbolos padrão e alternativo da NAND. Circuito usando símbolos padrão e alternativo da NAND. Sempre que possível, escolha símbolos de portas para que: • de acordo com o nível ativo desejado na saída, devemos primeiro escolher o símbolo que deve ser usado na porta de saída • entradas com círculos devem ser conectadas às saídas com círculos • entradas sem círculos devem ser conectadas às saídas sem círculos 40 Método de interpretação de símbolos lógicos Como obter as representações equivales de circuitos lógicos ↓ ↓ ↑ porta de saída, nível ativo desejado BAIXO ↓ ↑ ↓ porta de saída, nível ativo desejado ALTO entrada sem círculo Primeiro símbolo a ser escolhido Primeiro símbolo a ser escolhido saída sem círculo saída com círculo entrada com círculo O circuito lógico mostrado na Figura 3.37 ativa um alarme quando a saída Z for nível ALTO. Modifique o diagrama do circuito de modo que ele represente mais efetivamente sua operação. Exemplo 3.20: 41 Método de interpretação de símbolos lógicos Figura 3.37 42 O circuito agora tem saídas sem círculos conectadas às entradas sem círculos. Como a saída Z é ativa em nível ALTO , portanto o símbolo padrão da AND 2 não será substituído. O símbolo de porta NOR deve ser alterado para o símbolo alternativo (não possui círculo na saída) para ser conectado na entrada sem círculo da porta AND 2. O símbolo padrão da AND 1 não será trocado pelo o seu alternativo (não possui círculo na saída ) para ser conectado na outra entrada sem círculo da porta AND 2. ↑ porta de saída, nível ativo desejado ALTO ↓ ↑ ↓ ↑ Solução: → AND 2 símbolo alternativo da NOR símbolo padrão da NOR AND 1 Método de interpretação de símbolos lógicos 43 Fig. 3.55 Método de interpretação de símbolos lógicos Problema 3.35 A saída do circuito da Figura 3.55 gera um sinal ativo em nível BAIXO para apenas uma combinação das entradas. (a) Modifique o diagrama do circuito de modo que ele represente mais efetivamente sua operação. (b) Use o novo diagrama do circuito para determinar a condição de entrada que ativará a saída. Faça isso analisando os níveis lógicos ativos das portas, no sentido da saída para a entrada, sem utilizar a equação booleana nem a tabela verdade. Mostre toda a sequencia de análise e conclua a resposta de forma sintetizada. 44 Solução: A B C x → b) combinação de entrada que ativa a saída: a)x = 0 quando M = 1 e N =1 passagens M = 1 quando A = 0 e B = 0 N = 1 quando B = 0 e C=1 resposta na forma sintetizada → x = 0 quando A = 0 e B = 0 e C=1 M N ↑ nível ativo BAIXO ↓ ↑ ↓ ↑ Método de interpretação de símbolos lógicos conjunção 45 Fig. 3.37(b) Interpretação de símbolos lógicos (a) Determine as condições de entrada necessárias para ativar a saída Z na Figura 3.37(b) . Faça isso analisando os níveis lógicos ativos das portas, no sentido da saída para a entrada, sem utilizar a equação booleana nem a tabela verdade. Mostre toda a sequencia de análise e conclua a resposta de forma sintetizada. (b) Admita que o estado BAIXO seja o estado ativo do alarme na saída Z. Modifique o diagrama do circuito para representar mais efetivamente sua operação. Use esse novo diagrama para determinar quais são os níveis lógicos ativos das entradas que ativam o alarme. Use o mesmo método do item (a). Problema 3.36 46 Solução: a) as condições de entrada necessárias para ativar a saída Z M N z = 1 quando M = 1 e N =1 passagens M = 1 quando A = 0 e B = 0 N = 1 quando C = 1 e D =1 resposta na forma sintetizada → Z = 1 quando A = 0 e B = 0 e C = 1 e D = 1 ↑ nível ativo ALTO 47 Problema 3.38 , 3.39 e 3.40 Método de interpretação de símbolos lógicos A resposta deve ser dada em forma sintetizada, não em forma de tabela. ↑ nível ativo ALTO 48 Problema 3.41 Método de interpretação de símbolos lógicos Mostre toda a sequencia de análise e conclua a resposta de forma sintetizada. 49 Prob. 3.41 (a) Determine as condições de entrada necessárias para ligar o LED. Solução: análise usando apenas os níveis lógicos ativo indicados pelos símbolos das portas LUZ =0 quando M=1 ou N=1 M=1 quando A=1 e B=1 N=1 quando A=0 e B=0 M N (b) Verifique se o circuito funciona como um interruptor two-way (interruptores A e B). Solução: A B LUZ 0 0 0 (Led ligado) 0 1 1 (Led desligado) 1 0 1 (Led desligado 1 1 0 (Led ligado) ↑ Os interruptores A e B acendem ou apagam o LED, independentemente das suas posições. ↑resposta na forma sintetizada LUZ passagens Portanto: LUZ = 0 quando A=1 e B=1 ou A=0 e B=0 Mostre toda a sequencia de análise e conclua a resposta de forma sintetizada. 50 Problema 3.37 Modifique o circuito da Figura 3.40 de modo que seja necessário fazer A1 = 0 para produzir LCD = 1 em vez de A1 = 1. 51 Exercício Extra 1 (Exemplo 3.23) Determine as condições de entrada necessárias para ativar a saída LCD do circuito da Figura E1. Faça isso analisando os níveis lógicos ativos das portas, no sentido da saída para a entrada, sem utilizar a equação booleana nem a tabela verdade. Mostre toda a sequencia de análise e conclua a resposta de forma sintetizada. A0 A4 A3 A2 A1 IN OUT LCD Figura E1 Método de interpretação de símbolos lógicos 52 A B C D E Z Figura E2 Exercício Extra 2 (Exemplo 3.21) Método de interpretação de símbolos lógicos (a) Quando a saída do circuito lógico da Figura P1 for nível BAIXO, ativará um outro circuito lógico. Modifique o diagrama do circuito para representar mais efetivamente sua operação. (b) Use o novo diagrama do circuito para determinar as condições de entrada necessárias para ativar a saída. Faça isso analisando os níveis lógicos ativos das portas, no sentido da saída para a entrada, sem utilizar a equação booleana nem a tabela verdade. Mostre toda a sequencia de análise e conclua a resposta de forma sintetizada. O atraso de propagação (tp) é o tempo que um circuito leva para produzir uma saída após receber uma entrada. A velocidade de um circuito lógico está relacionada ao atraso da propagação. 53 3.15- Atraso de Propagação - 11a Edição tPLH – tempo de propagação de BAIXO para ALTO tPHL – tempo de propagação de ALTO para BAIXO tPLH ≠ tPHL 2 PHLPLH P tt t 54 Problema 3.32 - fazer 3.16- RESUMO DOS MÉTODOS PARA DESCREVER CIRCUITOS LÓGICOS Estudar seção 3.16 55 Lista de Exercícios do Capítulo 3 - 11ª Edição SEÇÃO EXEMPLOS PROBLEMAS Introdução 3.1 3.2 3.3 3.1, 3.2, 3.3A e 3.3B 3.1 a 3.5 3.4 3.4, 3.5A e 3.5B 3.6 a 3.10 3.5 Aplicação 3.1 3. 3.15 3.6 3.7 3.6 3.8 3.7 3.16 3.9 3.8 a 3.12 3.17 a 3.21 3.10 3.13 a 3.15 3.22, 3.23, 3.24 3.11 3.16, 3.17 3.25 a 3.32 3.12 3.18 3.13 3.19 3.33 a 3.41 3.14 3.20, a 3.23 3.15 3.42 3.16 3.24 3.47 Esses são os exercícios mínimos recomendados dos Capítulos 3 56 Lista de Exercícios do Capítulo 3 - 10ª Edição SEÇÃO EXEMPLOS PROBLEMAS Introdução 3.1 3.2 3.3 3.1, 3.2, 3.3A, 3.3B 3.1 a 3.5 3.4 3.4, 3.5A, 3.5B 3.6 a 3.10 3.5 Aplicação 3.1 3.11 a 3.15 3.6 3.7 3.6 3.8 3.7 3.16 a 3.21 3.9 3.8 a 3.12 3.10 3.13, 3.14, 3.15 3.22, 3.23, 3.24 3.11 3.16, 3.17 3.25 a 3.32 3.12 3.18 3.13 3.19 3.33 a 3.41 3.14 3.20, 3.21, 3.22, 3.23 3.15 3.42 3.16 Esses são os exercícios mínimos recomendados dos Capítulos 3 ---------------------------------------------------------------------
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