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

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

Bloco 2 · Numeração

Bases

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

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.