Electrónica digital

Introdução

A electrónica digital trabalha com sinais que só assumem dois valores discretos — 0 e 1 — em vez do contínuo da analógica. É a base de todos os computadores, microcontroladores, automatismos modernos.

Esta UC cobre numeração binária, portas lógicas, álgebra de Boole, circuitos combinacionais e sequenciais (flip-flops, contadores), displays e famílias lógicas (TTL/CMOS).

Pré-requisitos: UC02924 (CC), UC02926 (Analógica).

1. Sistemas digitais

1.1 0 e 1

Sinais digitais têm apenas dois valores discretos: - LOW (0) — tipicamente 0 V (ou faixa próxima de 0). - HIGH (1) — tipicamente 5 V (ou 3,3 V em sistemas modernos).

1.2 Vantagens

• Imunidade a ruído — interpretação como 0 ou 1 mesmo com pequenas distorções.
• Reprodutibilidade — cópias bit a bit exactas.
• Lógica matemática simples (Boole).
• Integração — milhões de portas num único chip de silício.
• Flexibilidade — mesmo hardware faz coisas diferentes com software diferente.

1.3 Comparação com analógica

Na realidade, a maioria dos circuitos modernos é mista: digital no centro, analógico nas interfaces com o mundo físico (sensores, atuadores).

2. Numeração

2.1 Bases

2.2 Conversões

Decimal → Binário: dividir sucessivamente por 2; ler restos de baixo para cima.

13 / 2 = 6 resto 1
6 / 2 = 3 resto 0
3 / 2 = 1 resto 1
1 / 2 = 0 resto 1
→ 13 = 1101

Binário → Decimal: somar potências de 2.

1101 = 1·2³ + 1·2² + 0·2¹ + 1·2⁰ = 8 + 4 + 0 + 1 = 13

Binário → Hex: agrupar de 4 em 4 bits.

11011010 = 1101 1010 = DA hex

2.3 Tamanhos comuns

• Bit — 1 dígito binário.
• Byte — 8 bits = 2 hex digits. Valor 0-255 (unsigned) ou −128 a +127 (signed).
• Word — 16 bits = 4 hex. Valor 0-65535.
• Dword — 32 bits.
• Qword — 64 bits.

Memória e endereçamento medem-se em bytes.

2.4 Bits especiais

• MSB (Most Significant Bit) — bit mais à esquerda; representa potência maior.
• LSB (Least Significant Bit) — bit mais à direita; representa potência menor.
• Bit de sinal em números signed: 0 = positivo, 1 = negativo (complemento a 2).

3. Portas lógicas

3.1 Portas básicas

AND (E): saída = 1 só se todas as entradas = 1.

OR (OU): saída = 1 se pelo menos uma entrada = 1.

NOT (NÃO): inverte entrada.

3.2 Portas compostas

XOR (OU exclusivo): saída = 1 se entradas diferentes.

NAND (NOT AND): inverso do AND. NOR (NOT OR): inverso do OR. XNOR: inverso do XOR (saída 1 se entradas iguais).

3.3 NAND e NOR — universais

Qualquer função digital pode ser construída só com NANDs (ou só com NORs).

Por isso, fabricantes de chips IC usam principalmente NANDs internamente.

3.4 Chips 74xx clássicos

Em DIP-14 com VCC (pin 14) + GND (pin 7).

4. Álgebra de Boole

4.1 Operações

AND:  Y = A · B    (multiplicação)
OR:   Y = A + B    (soma)
NOT:  Y = /A       (barra)

4.2 Propriedades

Identidade:    A · 1 = A;   A + 0 = A
Elemento nulo: A · 0 = 0;   A + 1 = 1
Idempotência:  A · A = A;   A + A = A
Complemento:   A · /A = 0;  A + /A = 1
Involução:     //A = A
Comutativa:    A · B = B · A;  A + B = B + A
Associativa:   (A · B) · C = A · (B · C)
Distributiva:  A · (B + C) = (A · B) + (A · C)
Absorção:      A + (A · B) = A;  A · (A + B) = A

4.3 De Morgan

/(A · B) = /A + /B
/(A + B) = /A · /B

Permite converter qualquer expressão em equivalente com só NANDs ou só NORs.

4.4 Simplificação

Objectivo: menos portas para mesma função.

Exemplo: Y = A·B + A·/B - Distributiva: Y = A · (B + /B) - Complemento: Y = A · 1 - Identidade: Y = A

Simplificou-se de 3 portas (1 NOT + 2 AND + 1 OR) para zero portas (ligação directa).

4.5 Mapas de Karnaugh

Método visual para simplificar funções de até 4-5 variáveis. Tabela onde células adjacentes diferem em 1 variável; agrupar células com valor 1 em rectângulos (potência de 2) dá a expressão mais simples.

Hoje: ferramentas de síntese automática (Vivado, Quartus, ABC) fazem isto para FPGAs/ASICs com milhões de portas.

5. Combinacional vs sequencial

5.1 Combinacional

Saída depende apenas das entradas actuais. Sem memória.

Exemplos: - Somador binário (calcula A + B). - Multiplexer (MUX) — selecciona entre várias entradas. - Demultiplexer (DEMUX) — distribui para várias saídas. - Codificador / Descodificador — converte códigos (binário ↔ BCD ↔ Gray ↔ 1-de-N). - Comparador — saída se A > B, A = B, A < B.

5.2 Sequencial

Saída depende de entradas + estado anterior (memória).

Componentes básicos: - Latch SR (Set/Reset, nível-sensível). - D Latch — captura entrada D enquanto Enable está alto. - D Flip-Flop — captura D na borda do clock. - JK Flip-Flop — variante mais flexível. - T Flip-Flop — Toggle.

Construídos com flip-flops: - Registos (memorizar N bits em paralelo). - Contadores (sequência crescente/decrescente). - Shift registers (deslocar bits). - Máquinas de estados (FSM — Finite State Machine).

6. Flip-flops

6.1 D Flip-Flop

O mais usado. Capturar valor na borda do clock.

       ┌────┐
   D ──┤D  Q├── Q
       │    │
       │  /Q├── /Q
   CLK─►│   │
       └────┘

Funcionamento: - Na borda de subida do CLK (transição 0→1): Q ← D. - Entre bordas: Q mantém valor anterior. - /Q é sempre o complemento de Q.

6.2 Aplicações

• Registo de 1 bit (memória).
• Sincronização entre relógios.
• Detecção de borda.
• Base para contadores, shift registers.

6.3 JK Flip-Flop

Mais flexível que D: - J=1, K=0 → Set (Q=1). - J=0, K=1 → Reset (Q=0). - J=K=1 → Toggle (Q inverte). - J=K=0 → Hold (Q mantém).

Pode emular D ou T conforme ligações.

6.4 Contador

N flip-flops em série, cada um a dividir frequência por 2.

Síncrono (todos os FFs com mesmo clock) — mais rápido. Assíncrono (ripple) — Q de um FF é clock do seguinte; mais simples, mais lento.

Chips contadores: - 74161 — 4 bits síncrono. - 74193 — 4 bits up/down. - 74393 — duplo 4 bits. - CD4060 — 14 bits + oscilador. - CD4017 — decade (10 saídas).

Aplicações: dividir frequência, contar pulsos, sequenciar acções, relógios digitais.

7. Displays 7 segmentos

7.1 Estrutura

7 segmentos LED (a-g) + ponto decimal (dp):

   ─a─
  f|g|b
   ─g─
  e| |c
   ─d─    .dp

Combinações acendem dígitos 0-9 (e algumas letras A-F em hex).

7.2 Tipos

• Anodo comum (AC): todos os anodos juntos ao +5V; cada segmento conecta a GND via resistor para acender.
• Cátodo comum (CC): opostos.

Verificar antes de comprar/ligar.

7.3 Descodificador BCD → 7 segmentos

Chips: - 7447 (TTL) — para AC (saídas low-active). - 4543 (CMOS) — universal.

Entrada: BCD (4 bits, 0-9). Saída: 7 segmentos.

7.4 Multiplexação

Para mostrar vários dígitos sem usar 7 pinos por dígito: - Acender 1 dígito de cada vez muito rapidamente (KHz). - Olho integra → vê todos acesos.

Microcontroladores fazem isto trivialmente. Reduz a 8 pinos para 4 dígitos (7 segmentos + selector).

8. Famílias lógicas

8.1 TTL vs CMOS

74HCxx é a família CMOS pin-compatible com TTL 74xx — substituiu na prática em sistemas modernos.

8.2 Níveis de tensão

TTL 5V: - 0 (LOW) = 0 a 0,8 V. - 1 (HIGH) = 2,0 a 5 V. - Zona indeterminada: 0,8 a 2,0 V (evitar).

CMOS 5V (4000, 74HC): - 0 = 0 a 1,5 V. - 1 = 3,5 a 5 V.

CMOS 3,3V (74LVC, 74LVT): - 0 = 0 a 0,8 V. - 1 = 2,0 a 3,3 V.

8.3 Microcontroladores

Em sistemas modernos, em vez de combinar dezenas de chips digitais discretos, usa-se 1 microcontrolador (Arduino, ESP32, PIC, STM32, RP2040) que faz tudo via software:

Sensor ──► ADC ──► CPU ──► Output (LED, relé, motor, ecrã)
                    │
                Programa

Vantagens: - Flexibilidade — comportamento muda só com software. - Funcionalidade enorme — comunicação, ecrã, sensores, controlo. - Tamanho — 1 chip < 1 cm² faz o que 100 chips discretos fariam. - Custo — Arduino Nano ~5 €.

Electrónica digital discreta continua útil para: - Velocidade muito alta (lógica > 100 MHz onde microcontroladores ficam para trás). - Aplicações ultra-simples (lógica de segurança, brinquedos). - Aprendizagem — base para entender o que o microcontrolador faz dentro.

9. Diagnóstico digital

9.1 Multímetro

• V DC: medir tensão em cada pino.
• Continuidade: verificar pistas, ligações.

Indica se um pino está LOW ou HIGH estático. Não detecta sinais a comutar rapidamente.

9.2 Sonda lógica

Aplicação digital específica: - LED vermelho = HIGH. - LED verde = LOW. - LED amarelo = pulsado.

Diagnóstico rápido sem osciloscópio.

9.3 Osciloscópio

Permite: - Ver forma de onda real. - Medir tempos (frequência, duty cycle, atrasos entre sinais). - Detectar glitches (impulsos curtos indesejados). - Verificar níveis (LOW e HIGH dentro dos limiares).

Mínimo 20 MHz para sistemas digitais simples; 100 MHz+ para microcontroladores modernos.

9.4 Analisador lógico

Captura vários sinais simultaneamente (8, 16, 32+) ao longo do tempo, com decodificação automática de protocolos (SPI, I2C, UART).

Essencial para diagnosticar comunicação entre microcontroladores e periféricos.

Custo: 10-50 € (Saleae clones) até milhares de € (profissionais).

10. Liga a outras UCs

• UC02924 / UC02926 — base eléctrica e analógica.
• UC02940 / UC02941 — PLC e HMI são essencialmente sistemas digitais.
• UC02944 — robótica usa controlo digital + comunicação.

11. Conclusão

Electrónica digital é a base da computação moderna. Compreender portas lógicas, flip-flops e numeração binária dá fundamentos para microcontroladores, PLCs, sistemas SCADA, comunicação industrial.

Hoje em dia, microcontroladores substituíram muito da electrónica digital discreta. Mas saber medir e diagnosticar sinais digitais é essencial em qualquer manutenção.

Apêndice A · Cheat sheet

Decimal a Binário: dividir por 2 sucessivamente
Binário a Hex:     agrupar 4 bits

AND:    A·B (1 só se ambos 1)
OR:     A+B (1 se qualquer 1)
NOT:    /A
NAND:   /(A·B) — UNIVERSAL
NOR:    /(A+B) — UNIVERSAL
XOR:    diferentes

D-FF:   Q ← D na borda CLK

TTL 5V: 0=0-0.8V, 1=2-5V
CMOS 5V: 0=0-1.5V, 1=3.5-5V

Famílias modernas: 74HC (CMOS 5V); 74LVC (CMOS 3.3V)

Apêndice B · Recursos

• Digital Design (Mano & Ciletti) — clássico.
• Logisim — simulador digital gratuito.
• All About Circuits — digital tutorials.
• Microcontroladores: Arduino, ESP32 tutorials abundantes online.
• 74xx datasheets: Texas Instruments site.