Eletrônica Digital: Conceitos Introdutórios

Este é o primeiro tutorial de eletrônica digital, tema este que foi escolhido por leitores do blog através de uma enquete. O tutorial será um pouco extenso pois este conteúdo nos irá introduzir os conceitos mais importantes sobre eletrônica digital.

Digital x Analógico

Qual a diferença entre esses dois termos, analógico e digital? Isso pode ser facilmente entendido, basta olharmos a nossa volta e nosso ambiente. 

Por exemplo, temperatura. Ela vária a todo instante dentro de uma faixa de valores finitos, ou seja, ela não possui dois estados únicos. A temperatura pode assumir diferentes valores ao longo do dia. Isso nos dá um exemplo de uma grandeza analógica. Há muitas situações do nosso cotidiano em que podemos reconhecer uma variável analógica, outra situação relacionada à eletrônica é a carga e descarga de um capacitor, onde a tensão vária exponencialmente ao longo do tempo. A figura a seguir ilustra um sinal elétrico analógico, observe que ele assumi diferentes valores ao longo do tempo.

Figura 1 - Sinal analógico.

Agora imagine um interruptor para acender uma lâmpada, o interruptor possui somente dois estados: ligado (On) e desligado (Off). Pode não parecer mas, este é um exemplo de uma grandeza digital, ela possui apenas dois estados possíveis, interruptor ligado ou desligado. A figura a seguir representa um sinal digital, observe que possui apenas dois estados possíveis.

Figura 2 - Sinal digital.

A distinção deste dois termos, nos ajuda a compreender o por que da existência da eletrônica analógica e eletrônica digital. Ou seja, em eletrônica analógica trabalha-se com sinais e variáveis que podem assumir diferentes valores ao longo do tempo. E na eletrônica digital, sinais que assumem apenas dois estados bem definidos.

Para complementar este tópico estive pesquisando bons vídeos sobre eletrônica digital. O vídeo a seguir é do canal Eletrônica Fácil, se você não conhece, então o que está esperando para clicar no link? 

São excelentes vídeo-aulas sobre eletroeletrônica gratuitas (isso mesmo gratuitas!). Fica a dica se você está a procura de boas vídeo-aulas.

Com essa distinção de analógico e digital, podemos prosseguir e compreender como uma grandeza digital é representada.

Representação da Grandeza Digital

As grandezas digitais são representadas numericamente. Mas, antes de trabalharmos com a notação de números digitais, devemos saber que existem outras formas de representarmos quantidades numéricas, ou seja, não existe somente o sistema de numeração decimal (0,1,2,3,4,5,6,7,8,9), existe o sistema octal, hexadecimal e binário. O próximo tutorial tratará justamente destes sistemas de numeração. Por enquanto vamos tangenciar o assunto sem introduzi-lo profundamente.

Falei que uma grandeza digital é representada numericamente, mas como representá-la? As grandezas digitais são representadas através do sistema de numeração binário. Isso significa que temos dois estados possíveis: 0 ou 1, Alto ou Baixo, Ligado ou Desligado.

Observe que é fácil associar o sistema de numeração binário com nossa realidade, por exemplo: ligar e desligar um interruptor de uma lâmpada (você consegue imaginar esta situação?).

Já sabemos que uma grandeza digital é escrita numericamente e representada pelo sistema binário. Mas como representar um sinal digital em um gráfico?

A representação de um sinal digital em um gráfico é igual o da figura 2, e esse gráfico é chamado de diagrama de tempo, pela imagem que apresentei, podemos associá-la com a ação de ligar e desligar uma lâmpada. Observe que, nível alto é o mesmo que dizer lâmpada ligada e vice-versa.

Normalmente na prática, representa-se um número digital por um determinado nível de tensão. Ou seja, 5 volts representa o digito 1 e 0 volts representa o digito 0 em binário. Podemos trabalhar com outros níveis de tensão, porém nem sempre é conveniente e a maioria dos circuitos integrados empregados na confecção de um protótipo não trabalham com tensões maiores que a de 5 volts. Por convenção os sistemas digitais trabalham com 5 volts, o seu computador faz as operação com 5 volts e inúmeros dispositivos eletrônicos funcionam com 5 volts.

Vantagens e Limitações das Técnicas Digitais

Como foi dito anteriormente as grandezas da natureza variam de forma analógica, mas atualmente vivemos em um mundo repleto de equipamentos que funcionam digitalmente. Já pensaram em como se dá essa comunicação entre dois mundos, digital e analógico?

As grandezas analógicas são convertidas em grandezas digitais, por circuitos que realizam esta operação. Este circuito é conhecido como conversor analógico-digital (ADC).

Mas como sair de um sistema digital e entrar em um analógico?

Assim como temos o conversor analógico-digital, temos o conversor digital-analógico (DAC), ele converte o sinal digital em um sinal analógico, simples assim. Mais adiante explicarei como isso funciona e como é feito na prática, por enquanto vamos compreender os conceitos básicos.

Atualmente há um grande número de aplicações em eletrônica digital, isto se resumi pelos seguintes motivos:

➤ Sistemas digitais são geralmente mais fáceis de serem projetados;

➤ Armazenar informações é muito mais simples em sistemas digitais;

➤ O sistema possui muita precisão e exatidão;

➤ As operações podem ser programadas;

➤ Circuitos digitais são menos afetados por ruídos;

➤ Os chips de circuitos digitais possuem maior número de dispositivos internos.

Estes são alguns motivos que levaram a grande aplicação dos sistemas digitais em nosso cotidiano.

Pense um pouco, é mais fácil trabalhar com uma grandeza que possui estados bem definidos e controlados, do que trabalhar com um sinal que vária ao longo do tempo. Imagine a dificuldade que seria para projetar um telefone celular totalmente analógico. Lembre-se também que sistemas analógicos são mais susceptíveis à ruídos (isso não elimina a necessidade de sinais analógicos em diversas áreas da engenharia).

Assim como em muitas outras situações existem limitações, com a eletrônica digital não é diferente. Existem limitações que prejudicam fortemente algumas aplicações devido ao fato de que nosso mundo é analógico e processar sinais digitais leva tempo. Ou seja, existe um pequeno intervalo de tempo, mas, consideravelmente grande do ponto de vista da eletrônica digital que não pode ser simplesmente desprezado. 

Esse intervalo de tempo está presente em inúmeras aplicações que utilizam sistemas digitais, ele está relacionado com o tempo de resposta do circuito desde que tenha ocorrido alguma mudança na entrada analógica. Ou seja, é o tempo que demora desde a leitura da informação analógica até a atuação do circuito digital. 

Isso é visível em algumas aplicações como por exemplo: um controle digital de temperatura de forno. Nesse exemplo o tempo que o circuito demora para detectar e atuar no sistema, é importante, pois se a leitura for muito lenta (demorar muito) a precisão do circuito em controlar o forno será prejudicada.

No próximo tutorial, falarei sobre os sistemas de numeração e algumas conversões entre  os sistemas de numeração e como realizá-las.

Sei que este texto ficou muito longo, porém ele era inevitável. Espero que tenham gostado deste tutorial, críticas, sugestões e opiniões são muito bem-vindas. Se você ficou com dúvida deixe um comentário, pois quem sabe sua dúvida não é a resposta para a dúvida de outras pessoas.

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Obrigado por acompanhar e até a próxima!

Agradecimentos:

>> Eletrônica Fácil

Referência bibliográfica:

TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. 10 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. 804 p