UC02927

Electrónica digital

Bits, portas lógicas, flip-flops, contadores, displays

Técnico de Manutenção Industrial / Mecatrónica · 25h

Plano da unidade

  1. Sistemas digitais — 0 e 1
  2. Numeração: binário, hex
  3. Portas lógicas AND/OR/NOT/XOR
  4. Álgebra de Boole + simplificação
  5. Combinacional vs sequencial
  6. Flip-flops e contadores
  7. Displays 7 segmentos
  8. Famílias TTL/CMOS

Bloco 1 · Sistemas digitais

0 e 1

Sinais digitais têm apenas 2 valores:

  • LOW (0) — tipicamente 0 V.
  • HIGH (1) — tipicamente 5 V (ou 3,3 V em sistemas modernos).

Vantagens:

  • Imunidade a ruído (sinal interpretado como 0 ou 1 mesmo com pequenas distorções).
  • Reprodutibilidade (cópias exactas).
  • Lógica matemática simples (Boole).

Comparação com analógico

Analógico Digital
Valores Contínuos Discretos (0/1)
Ruído Acumula Imune até nível LOW/HIGH
Componentes R/L/C/transistores lineares Portas/microcontroladores
Linguagem Equações Boole / programação

A maior parte da electrónica moderna é digital + análoga nas interfaces.

Bloco 2 · Numeração

Bases

Decimal Binário Hexadecimal
0 0000 0
1 0001 1
2 0010 2
5 0101 5
10 1010 A
15 1111 F
16 10000 10
255 11111111 FF

Conversões

Decimal → Binário: dividir sucessivamente por 2.
Binário → Decimal: somar potências de 2.
Binário → Hex: agrupar de 4 em 4 bits.

13 decimal = 1101 binário = D hex

Cada hex digit representa 4 bits — leitura mais compacta.

Bytes e palavras

  • 1 bit = 1 dígito binário.
  • 1 byte = 8 bits = 2 hex digits. Valor 0-255.
  • 1 word = 16 bits = 4 hex.
  • 1 dword = 32 bits.

Memória, endereços, dados — tudo em bytes/palavras.

Bloco 3 · Portas lógicas

AND, OR, NOT

AND          OR           NOT
A ─┐         A ─┐         A ─[>○]── /A
   ├&─ Y       │≥1─ Y     
B ─┘         B ─┘         

  A B Y       A B Y         A /A
  0 0 0       0 0 0         0  1
  0 1 0       0 1 1         1  0
  1 0 0       1 0 1
  1 1 1       1 1 1

XOR, NAND, NOR

XOR (exclusivo OR)   NAND          NOR
A B Y                A B Y         A B Y
0 0 0                0 0 1         0 0 1
0 1 1                0 1 1         0 1 0
1 0 1                1 0 1         1 0 0
1 1 0                1 1 0         1 1 0

NAND e NOR são universais — qualquer função pode ser construída só com elas.

Em chips

  • 7404 — 6 NOTs.
  • 7408 — 4 ANDs.
  • 7432 — 4 ORs.
  • 7400 — 4 NANDs.
  • 7486 — 4 XORs.

Cada chip DIP-14 com 6 ou 4 portas + alimentação.

Bloco 4 · Boole

Operações básicas

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

Propriedades:

  • A · 0 = 0; A · 1 = A.
  • A + 0 = A; A + 1 = 1.
  • A · A = A; A + A = A.
  • A · /A = 0; A + /A = 1.

Leis de De Morgan

/(A · B) = /A + /B
/(A + B) = /A · /B

Permitem converter qualquer expressão em só NAND ou só NOR (universais).

Simplificação

Objectivo: usar menos portas para mesma função.

Métodos:

  • Manipulação algébrica (regras de Boole).
  • Mapas de Karnaugh (visual, até 4-5 variáveis).
  • Quine-McCluskey (algoritmo, qualquer nº variáveis).

Hoje em dia: softwares de síntese (Vivado, Quartus) fazem automático para FPGAs.

Bloco 5 · Combinacional vs sequencial

Combinacional

Saída depende só das entradas actuais. Sem memória.

Exemplos:

  • Adicionador binário (soma A + B).
  • Multiplexer (selecciona entre várias entradas).
  • Demultiplexer (distribui para várias saídas).
  • Codificador / descodificador.

Sequencial

Saída depende de entradas + estado anterior (memória).

Componentes:

  • Latch (memória nível-sensível).
  • Flip-flop (memória borda-sensível, mais usado).
  • Registo (n flip-flops em paralelo).
  • Contador.
  • Máquina de estados.

A maioria dos circuitos digitais é mista (combinacional + sequencial).

Bloco 6 · Flip-flops

D Flip-Flop (mais comum)

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

Na borda de subida do CLK: Q recebe valor de D.
Entre bordas: Q mantém valor anterior.

Aplicação: registo de 1 bit; ponto de sincronização.

Outros tipos

  • JK Flip-Flop — D mais funcional: J=1,K=0 set; J=0,K=1 reset; J=K=1 toggle.
  • T Flip-Flop — Toggle: muda estado a cada borda CLK.
  • SR Latch — Set/Reset com nível (não borda).

Hoje quase tudo usa D Flip-Flop + lógica combinacional.

Contadores

N D flip-flops em série, cada um a dividir por 2:

CLK ──► Q0 ──► Q1 ──► Q2 ──► Q3

Conta de 0 a 15 (4 bits) → reset a 0 no 16.

Em chip: 74161, 74193 (4 bits up/down), 4060 (14 bits), CD4017 (decade).

Aplicações: dividir frequência, contar eventos, sequenciar acções.

Bloco 7 · Displays 7 segmentos

Estrutura

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

7 LEDs (a-g) + ponto decimal. Combinados acendem dígitos 0-9.

Tipos:

  • Anodo comum: todos os anodos ligados a + ; cada segmento ligado a GND para acender.
  • Catodo comum: opostos.

Descodificadores

7447 (TTL) ou 4543 (CMOS): entrada BCD (4 bits) → 7 saídas para segmentos.

        ┌────┐
BCD ───►│7447├───► a b c d e f g
        └────┘

Para múltiplos dígitos: multiplexação no tempo — ascender um dígito de cada vez muito rapidamente; olho vê todos acesos.

Bloco 8 · Famílias lógicas

TTL vs CMOS

TTL (74xx) CMOS (40xx, 74HCxx)
Tecnologia BJT MOSFET
Tensão 5 V (estrito) 3-15 V (flexível)
Consumo Alto Muito baixo (idle)
Velocidade Alta Média
Sensível ESD Pouco Muito
Substituto moderno 74HCxx, 74LSxx Padrão

74HCxx = CMOS pin-compatível com TTL 74xx — substituiu na prática.

Tensões e níveis

  • TTL 5V:
    • 0 (LOW) = 0-0,8 V.
    • 1 (HIGH) = 2,0-5 V.
  • CMOS 5V:
    • 0 = 0-1,5 V.
    • 1 = 3,5-5 V.

Sinais entre os limiares são indeterminados — bug potencial. Bom design evita.

Microcontroladores

Hoje, em vez de circuitos digitais com dezenas de chips, usa-se 1 microcontrolador (Arduino, ESP32, PIC, STM32) que faz tudo via software.

Eletrónica digital discreta continua a ser ensinada porque:

  • Base para entender o que o microcontrolador faz internamente.
  • Aplicações simples ainda usam (relógios, brinquedos, lógica de segurança).
  • Diagnóstico — saber medir um sinal digital com osciloscópio.

UC02927 · resumo

  • Digital = 0 e 1; imune a ruído; reprodutível.
  • Binário, hex — bases essenciais.
  • AND/OR/NOT + NAND/NOR/XOR; NAND e NOR são universais.
  • Combinacional (sem memória) vs sequencial (com flip-flops).
  • D Flip-Flop é o tijolo da memória digital.
  • 74HCxx (CMOS) padrão moderno; tensões 0-0,8 V (LOW) e 3,5-5 V (HIGH).
  • Microcontroladores substituíram circuitos discretos em quase tudo.

NOTAS DO PROFESSOR 📖 A essência do digital: dois níveis O ponto de partida desta unidade é perceber que o digital reduz a infinidade de valores analógicos a apenas dois estados, e que é precisamente essa redução que dá a imunidade ao ruído. Convém usar uma analogia simples (interruptor ligado/desligado, presença/ausência de tensão) para que ninguém se perca. Mencionar que os sistemas modernos usam cada vez mais 3,3 V em vez de 5 V prepara o terreno para o bloco das famílias lógicas. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar como a margem entre LOW e HIGH absorve o ruído • Usar uma analogia física para os dois estados (interruptor, válvula) • Antecipar a coexistência de 5 V e 3,3 V nos sistemas actuais

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Quando usar digital, quando analógico Esta tabela permite consolidar a distinção entre os dois mundos estudados na unidade anterior e nesta. A mensagem central é que não competem: convivem, com o analógico nas interfaces (sensores, atuadores) e o digital no processamento. Vale a pena referir que a maioria dos equipamentos industriais é exactamente esta mistura, o que justifica o técnico dominar ambos. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Reforçar que ruído acumula no analógico mas não no digital • Dar exemplos de equipamentos que combinam os dois domínios • Ligar à ideia de conversão A/D que os formandos encontrarão adiante

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Binário, decimal e hexadecimal Esta tabela é a "tabuada" do mundo digital e deve ser trabalhada até os formandos a lerem com fluência. O hexadecimal não é um capricho: é uma forma compacta de escrever grupos de 4 bits, daí 255 ser FF. Convém destacar os valores-fronteira (15 = F, 255 = FF) porque definem os limites de um nibble e de um byte, conceitos do slide seguinte. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar que cada dígito hex corresponde exactamente a 4 bits • Destacar 255 como o maior valor de um byte e a sua presença em endereços de rede • Propor a leitura rápida de alguns valores binários para treinar

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Métodos de conversão entre bases As conversões devem ser praticadas no quadro com vários exemplos, porque é competência que se avalia e que se usa sempre que se lê uma trama de dados ou um endereço. O agrupamento de 4 em 4 bits para passar a hexadecimal é o truque que mais poupa tempo e merece ênfase. Convém deixar claro que a conversão decimal-binário por divisões sucessivas e a soma de potências de 2 são operações inversas. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Resolver passo a passo uma conversão decimal-binário por divisões • Demonstrar o agrupamento de 4 bits para chegar ao hexadecimal • Reforçar que decimal-binário e binário-decimal são processos inversos

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Bit, byte e palavra Estes termos são a unidade de medida de toda a informação digital e aparecem em datasheets, registos de microcontroladores e protocolos de comunicação. Importa que os formandos associem o byte ao intervalo 0-255 e percebam que a "largura" de palavra (8, 16, 32 bits) caracteriza a capacidade de um processador. Ligar isto à memória e aos endereços prepara a compreensão de qualquer sistema baseado em microcontrolador. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Fixar a equivalência byte = 8 bits = 2 dígitos hex = 0 a 255 • Explicar o que significa um microcontrolador "de 8 bits" ou "de 32 bits" • Relacionar palavras e bytes com a organização da memória

NOTAS DO PROFESSOR 📖 As portas fundamentais AND, OR e NOT são os três tijolos a partir dos quais tudo se constrói. A tabela de verdade é a ferramenta para descrever sem ambiguidade o comportamento de cada porta e deve ser lida em voz alta linha a linha. Uma boa estratégia é associar cada porta a uma frase do quotidiano: AND como "só se ambos", OR como "basta um", NOT como "o contrário". 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Ler cada tabela de verdade traduzindo-a por uma frase em linguagem corrente • Mostrar montagens simples com interruptores em série (AND) e paralelo (OR) • Esclarecer a notação de negação que vai aparecer na álgebra de Boole

NOTAS DO PROFESSOR 📖 XOR e a universalidade do NAND/NOR O XOR introduz a ideia de "diferente" (saída 1 só quando as entradas diferem), útil em comparadores e somadores. Mas o ponto verdadeiramente importante deste slide é a universalidade do NAND e do NOR: com qualquer uma destas portas constrói-se tudo o resto. Isto tem peso económico real, pois é mais barato fabricar um único tipo de porta, e prepara as Leis de De Morgan que se seguem. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar o XOR como detector de diferença e a sua utilidade em somadores • Demonstrar como construir um NOT a partir de um NAND • Justificar economicamente o uso de portas universais nos circuitos integrados

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Das portas aos circuitos integrados Aqui a teoria ganha forma física: cada função lógica existe num chip da série 74xx que se pode segurar na mão e montar numa breadboard. Convém que os formandos memorizem alguns números-chave (7400 NAND, 7404 NOT, 7408 AND) porque são referências de bancada. Lembrar que estes chips precisam sempre de alimentação nos pinos próprios evita o erro clássico de os montar sem VCC e GND. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar um chip 74xx real e identificar a marca do pino 1 • Associar cada número de chip à porta que contém • Avisar para a necessidade de ligar VCC e GND, frequentemente esquecidos

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Álgebra de Boole na prática A álgebra de Boole é a linguagem matemática que permite simplificar circuitos antes de os montar. Estas propriedades parecem abstractas, mas cada uma corresponde a uma simplificação física real: A·1 = A significa que uma porta sempre ligada é redundante. Convém demonstrar uma ou duas com tabelas de verdade para que os formandos confiem nas regras em vez de as decorarem. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Provar uma propriedade simples construindo a sua tabela de verdade • Interpretar fisicamente regras como A + 1 = 1 (entrada que domina o OR) • Mostrar que estas regras são a base da simplificação do slide seguinte

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Leis de De Morgan De Morgan é a ferramenta que liga a teoria à universalidade vista antes: permite transformar ANDs em ORs (e vice-versa) usando negações, e assim implementar qualquer circuito só com NANDs ou só com NORs. A regra mnemónica "parte a barra e troca o sinal" ajuda a aplicá-la sem erros. Convém mostrar um exemplo concreto de conversão de uma expressão para só NAND. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Aplicar a mnemónica "parte a barra, troca a operação" • Converter uma expressão AND-OR para implementação só com NAND • Ligar De Morgan à economia de usar um único tipo de porta

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Simplificar para usar menos portas Simplificar não é um exercício académico: menos portas significa menos chips, menos consumo, menos pontos de avaria e menor custo. Os mapas de Karnaugh são a ferramenta visual mais acessível para até 4 variáveis e merecem prática no quadro. Convém mencionar que, na indústria moderna, a síntese é automática (FPGAs), mas perceber o processo continua a ser essencial para o diagnóstico. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Justificar a simplificação pelos ganhos de custo, espaço e fiabilidade • Resolver um mapa de Karnaugh simples com a turma • Situar a síntese automática como evolução, não substituição, do raciocínio

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Circuitos combinacionais A característica definidora é a ausência de memória: a saída é função imediata e exclusiva das entradas presentes. Convém que os formandos consigam identificar exemplos do quotidiano (um descodificador que acende o segmento certo, um multiplexer que escolhe uma fonte de sinal). Esta noção contrasta directamente com o sequencial do slide seguinte, por isso vale a pena anunciar já a diferença. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Reforçar "sem memória" como o teste para reconhecer um circuito combinacional • Explicar o papel do multiplexer e do descodificador com exemplos práticos • Anunciar o contraste com os circuitos sequenciais

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Circuitos sequenciais e memória O salto conceptual aqui é a introdução da memória: a saída passa a depender também da história, do estado anterior. É o que permite contar, recordar e sequenciar acções. Convém apresentar a hierarquia (latch, flip-flop, registo, contador, máquina de estados) como níveis de complexidade crescente construídos uns sobre os outros, preparando o bloco dos flip-flops. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Contrastar saída "depende só das entradas" com "depende também do estado" • Apresentar o flip-flop como o elemento de memória central • Explicar por que quase todos os sistemas reais misturam os dois tipos

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O D Flip-Flop e o relógio O D Flip-Flop é o elemento de memória mais usado e o conceito de borda do relógio (clock) é o que merece mais atenção: a entrada D só é capturada no instante da transição, ficando o resto do tempo "congelada". Esta sincronização é o que mantém milhões de bits em ordem dentro de um processador. Convém usar um cronograma (waveform) para mostrar visualmente o instante da captura. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar a diferença entre sensível a nível e sensível a borda • Desenhar um cronograma mostrando Q a copiar D na borda de subida • Apresentar o flip-flop como célula de memória de 1 bit

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Variantes de flip-flop Vale a pena os formandos conhecerem JK, T e SR para lerem esquemas antigos e perceberem a evolução, mesmo que na prática moderna domine o D. O flip-flop T (toggle) é particularmente útil de explicar porque é o tijolo dos contadores que vêm a seguir: cada um divide a frequência por dois. Convém não sobrecarregar com detalhe e focar a ideia de que todos guardam um bit, diferindo apenas no modo de o atualizar. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar o comportamento "toggle" do T como base dos contadores • Situar o JK e o SR como variantes históricas hoje pouco usadas • Reforçar que o D acabou por se impor pela simplicidade

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Contadores O contador mostra como elementos simples (flip-flops em cadeia) produzem comportamento útil: contar impulsos e dividir frequência. A ideia de que 4 bits contam de 0 a 15 e depois reiniciam liga directamente à numeração binária do início da unidade. Convém referir alguns chips contadores comuns (74161, 4017) porque aparecem em montagens de bancada e em automatismos simples. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar como cada flip-flop divide a frequência por dois • Ligar a contagem de 0 a 15 à representação binária de 4 bits • Dar aplicações reais: divisor de frequência, contagem de peças, sequenciador

NOTAS DO PROFESSOR 📖 O display de 7 segmentos É um exemplo tangível e motivador: combinando 7 LEDs formam-se todos os algarismos. A distinção entre ânodo comum e cátodo comum é prática e essencial, pois determina como se liga e qual a polaridade para acender; escolher mal impede o display de funcionar. Convém ter um display físico para os formandos identificarem os segmentos a-g e o tipo. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar quais segmentos acendem para formar cada algarismo • Explicar como distinguir ânodo comum de cátodo comum com o multímetro • Reforçar a necessidade de resistência limitadora em cada segmento

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Descodificador BCD e multiplexação O descodificador 7447/4543 mostra a utilidade prática de um circuito combinacional: traduz 4 bits (BCD) nas 7 linhas que acendem o dígito certo, poupando trabalho ao projectista. A multiplexação no tempo é um conceito elegante que vale a pena demonstrar: acende-se um dígito de cada vez tão depressa que o olho os vê todos, economizando ligações. Liga este tópico à persistência da visão. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar a tradução BCD-para-segmentos como exemplo de combinacional útil • Demonstrar a multiplexação e por que poupa pinos e ligações • Referir a persistência da visão como base do efeito de "todos acesos"

NOTAS DO PROFESSOR 📖 TTL versus CMOS A escolha de família lógica condiciona tensão, consumo e velocidade de um projecto. A mensagem prática é que o CMOS (74HCxx) se tornou o padrão moderno pelo baixíssimo consumo e flexibilidade de tensão, substituindo o TTL clássico mantendo a pinagem. Convém alertar para a sensibilidade do CMOS à electricidade estática, o mesmo cuidado de manuseamento já visto nos MOSFET. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar porque o baixo consumo do CMOS o tornou dominante • Esclarecer a compatibilidade de pinagem entre 74xx e 74HCxx • Reforçar o cuidado anti-estático ao manusear CMOS

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Níveis lógicos e zona proibida Este é um dos pontos mais importantes para o diagnóstico: existe uma zona intermédia entre LOW e HIGH onde o sinal é indeterminado e o circuito se comporta de forma imprevisível. Saber estas gamas permite, com o osciloscópio ou o multímetro, julgar se um sinal está "saudável". Convém alertar para a incompatibilidade de níveis entre sistemas de 5 V e 3,3 V, fonte frequente de avarias em montagens mistas. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Explicar a zona proibida e os comportamentos erráticos que provoca • Mostrar como medir um nível lógico e julgá-lo válido • Avisar para os problemas de interligar 5 V com 3,3 V sem adaptação

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Do circuito discreto ao microcontrolador Aqui justifica-se toda a unidade: embora hoje um único microcontrolador faça o que antes exigia dezenas de chips, conhecer a lógica discreta é indispensável para perceber o que se passa por dentro e para diagnosticar. Convém transmitir esta perspectiva histórica sem desvalorizar o conteúdo: o microcontrolador é lógica digital em software. Liga-se naturalmente a outras UCs do curso sobre autómatos e Arduino. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Mostrar que o microcontrolador executa internamente a mesma lógica estudada • Justificar por que o diagnóstico ainda exige saber medir sinais digitais • Fazer a ponte para as unidades de PLC, Arduino e automação do curso

NOTAS DO PROFESSOR 📖 Síntese da electrónica digital O resumo deve ajudar o formando a ver o fio que liga tudo: dos dois estados básicos às portas, da álgebra que as simplifica aos flip-flops que dão memória, até ao microcontrolador que tudo integra. Vale a pena pedir-lhes que reconstruam mentalmente o percurso, pois é a melhor forma de fixar. Reforçar que o NAND/NOR universal e o D Flip-Flop são as duas grandes ideias a reter. 🗣️ Pontos a desenvolver oralmente • Pedir aos formandos que liguem combinacional e sequencial num exemplo • Recapitular a universalidade do NAND/NOR como ideia central • Sugerir um pequeno projecto (contador com display) como consolidação