Introdução - Sinais Analógicos e Digitais

Angelo Luis Ferreira | 30/06/2024 Acessos: 439

1. Eletrônica Digital

1.1. Eletrônica Digital é um ramo da eletrônica que se dedica ao estudo e à aplicação de sistemas e dispositivos para processar e transmitir informações. Ao contrário da eletrônica analógica, que lida com sinais contínuos e variáveis, a eletrônica digital opera com sinais discretos, geralmente representados por dois níveis de tensão: alto (1) e baixo (0). Esta dualidade é a base do sistema binário, essencial para o funcionamento de computadores e outros dispositivos eletrônicos modernos.

2. Sinais Analógicos e Digitais

2.1. Os circuitos eletrônicos podem ser classificados em dois grupos: digitais e analógicos. A eletrônica analógica lida com grandezas contínuas, enquanto a eletrônica digital usa valores discretos. Mesmo ao focar na eletrônica digital, é importante entender os sinais analógicos, pois muitas aplicações combinam ambas as áreas. Sinais naturais, como temperatura, pressão, luminosidade, som, etc. são analógicos e precisam ser convertidos para serem usados em sistemas digitais.

NOTA: A maioria das grandezas na natureza se encontram na forma analógica. Por isso, para que possam ser lidas por dispositivos digitais, devem ser convertidas para a forma digital.

2.2. A representação digital oferece vantagens significativas sobre a analógica em eletrônica. Dados digitais são mais eficientes e confiáveis para processamento e transmissão, além de serem mais compactos para armazenamento.

2.2.1. Por exemplo, músicas em formato digital ocupam menos espaço que em formato analógico. Dados digitais são menos suscetíveis ao ruído, que causa variações indesejadas na tensão. Um amplificador é um exemplo clássico de eletrônica analógica, onde ondas sonoras analógicas captadas por um microfone são convertidas em tensão contínua, refletindo as variações de amplitude e frequência do som.

2.3. Um amplificador é um exemplo clássico de eletrônica analógica, onde ondas sonoras analógicas captadas por um microfone são convertidas em tensão contínua, refletindo as variações de amplitude e frequência do som. O alto-falante converte o sinal de áudio amplificado de volta para o formato de ondas sonoras com uma amplitude muito maior que as ondas originais.

2.4. O pen drive é um exemplo de dispositivo digital utilizado para o armazenamento de dados, vídeos, músicas. A figura abaixo mostra um o diagrama simplificado da reprodução de música no formato digital. A música fica armazenada no pen drive no formato digital e é lida da memória e transferida para um conversor digital-analógico (DAC, Digital to Analog Converter). O sinal analógico então e amplificado e enviado ao alto-falante que reproduz o som.

NOTA:  O DAC converte os dados armazenados em formato digital para o formato analógico, para que possa ser interpretado pelo ouvido humano.

2.5. Quando a música é gravada no pen drive, ocorre o processo contrário, ou seja, os dados são captados no formato analógico e convertidos no formato digital por meio de um conversor analógico-digital (ADC, Analog to Digital Converter).

3. Níveis Lógicos (0 ou 1)

3.1. A figura abaixo mostra as variávies de entrada e saída de um sistema de acionamento de uma lâmpada de emergência:

3.2. No sistema de acionamento acima, o botão de emergência é a variável de entrada, que pode estar ligado ou desligado. A lâmpada de emergência, variável de saída controlada pelo botão, pode estar acesa ou apagada. Essas condições são representadas pelos níveis lógicos: 0 (desligado/apagado) ou 1 (ligado/aceso), respectivamente.

3.3. Portanto, podemos afirmar que o nível lógico 0 (zero) representa o botão desligado e a lâmpada apagada. Já o nível lógico 1 (um) representao botão ligado e a lâmpada acesa. A partir dessa lógica, podemos associar o valor "0" a uma condição falsa (F) e o valor "1" a uma condição verdadeira (V).

4. Funçoes Lógicas

4.1. Funções lógicas são expressões matemáticas usadas na eletrônica digital e na álgebra booleana para descrever a relação entre variáveis de entrada e a saída de um circuito lógico. 

4.1. Assim como na matemática, as funções lógicas possuem também variáveis dependentes e independentes, onde:

4.1.1. A variáveis independentes representam as variáveis de entrada;

4.1.2. As variáveis dependentes representam as variáveis de saída.

4.2. No sistema que mostramos acima, onde um botão aciona uma lâmpada em caso de emergência, a variável de entrada é o valor te tensão gerado pelo acionamento do botão.

4.3. Como a variável de saída está condicionada à variável de entrada, podemos afirmar nesta condição que a variável de saída é uma variável dependente e representa o estado que a lâmpada se encontra.

4.4. Desta forma, o sistema de acionamento apresentado pode ter as seguintes definições:

4.4.1. Variável de entrada: Botão (variável independente)

4.4.2. Variável de saída: Lamp (variável dependente)

4.4.3. Função Lógica: Lamp = f(Botão) , ou seja, Lamp varia em função da variável Botão (relação entre a variável de entrada e saída).

5. Variáveis Lógicas

4.1. uma variável lógica é uma variável que só pode assumir dois valores distintos, normalmente representados como 0 e 1. Esses valores correspondem aos estados lógicos de falso (0) e verdadeiro (1) em lógica booleana. As variáveis lógicas são fundamentais na eletrônica digital e na programação, pois permitem a implementação de operações lógicas e a tomada de decisões com base em condições binárias.

4.1.1. Uma variável booleana é um tipo de dado lógico que pode ter apenas um de dois valores possíveis: verdadeiro (1) ou falso (0).

4.2. Uma variável lógica póssui as seguintes características:

4.2.1. Binária: só possui dois estados possíveis, 0 e 1.

4.2.2. Representação: Comumente usada para representar estados de sistemas digitais, como ligado/desligado, verdadeiro/falso, alto/baixo ou HIGH/LOW.

4.2.3. Operações Lógicas: Sujeita a operações lógicas básicas como AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, e XNOR.

6. Operações Lógicas Básicas

6.1. Operações lógicas básicas, como AND, OR, NOT, e outras combinações dessas operações, podem produzir uma saída específica com base nos valores das entradas.

Lógica AND (E)

6.2. Definição: A saída é verdadeira (V) somente se todas as entradas forem verdadeiras (V).

6.3. Expressão:

6.3.1. A expressão significa que: somente se A e B forem verdadeiras (V), Z será verdadeira (V). Se uma das variáveis de entrada for falsa (F), a variável de saída Z será falsa (F).

6.4. Tabela da Verdade, considerando a representação (V) para Verdadeira e (F) para Falsa.

6.5. Substituindo V por nível lógico 1 e F por nível lógico 0, temos a seguinte tabela da verdade:

6.6. Exemplo prático da função lógica E:

6.6.1. Considerando uma função lógica que determina se uma luz deve acender:

• • • Entradas:
      • A: Sensor de movimento (1 se movimento detectado, 0 se não).
      • B: Interruptor (1 se ligado, 0 se desligado).
    • Saída:
      • Z: Luz (1 para acesa, 0 para apagada).

6.6.2. A função lógica pode ser representada como: A ^B = Z 

6.6.3. A luz (Z) acenderá somente se houver movimento (A = 1) e o interruptor estiver ligado (B = 1).

Lógica OR (OU)

6.7. Definição: A saída é verdadeira (1) se pelo menos uma das entradas for verdadeira (1).

6.8. Expressão:

6.8.1. A expressão significa que: se A ou B for verdadeira (1), Z será verdadeira (1). Somente se todas as variáveis de entrada forem falsas (0), a variável de saída Z será falsa (0).

6.9. Tabela da Verdade, considerando a representação dos níveis lógicos (1) para Verdadeira e (0) para Falsa.

Lógica NOT (NÃO):

6.10.  Definição: A saída inverte o valor da entrada.

6.11. Expressão:

6.11.1. A expressão significa que a saída Z é sempre o complemento da variável A. Se a variável A for verdadeira (1), então a saída Z será falsa (0) e vice-versa.

6.12. Tabela da negação, considerando a representação dos níveis lógicos (1) para verdadeira e (0) para falsa.