Eletrônica Digital
60 horas
Capacitar o aluno para projetar circuitos combinacionais otimizados, provendo os conceitos fundamentais de circuitos digitais sequenciais. Conceituar e discutir famílias de dispositivos lógicos e suas aplicações. Desenvolver a aptidão para o projeto de circuitos digitais complexos com enfoque em lógica sequencial.
Introdução a eletrônica: eletromagnetismo, carga e potencial elétrico, circuito, corrente e resistência elétrica, dispositivos semicondutores; Expressões booleanas e circuitos digitais; Circuitos combinacionais; Circuitos sequenciais; Dispositivos lógicos programáveis e microcontroladores; Ferramentas computacionais para síntese e análise de circuitos digitais.
Introdução a eletrônica
Magnetismo, carga e matéria
Potencial Elétrico
Circuito, corrente e resistência elétrica
Dispositivos semicondutores
Introdução a Eletrônica Digital
Aplicações para Portas Lógicas
Álgebra de Boole e Circuitos Digitais
Simplificação de expressões.
Circuitos Combinacionais.
Circuitos Aritméticos e Lógicos.
Codificadores e Seletores.
Multiplexadores e Demultiplexadores.
Circuitos Sequenciais.
Latches.
Flip-Flops RS, JK e D.
Registradores de deslocamento.
Contadores assíncronos e síncronos.
Dispositivos Lógicos Programáveis.
Visão Geral e Aplicações.
Programação de Circuitos Lógicos.
Microcontroladores.
Aprender fazendo e fazer aprendendo. As ações implementadas têm como foco o aprendizado da Eletrônica Digital pelo uso de recursos computacionais - privilegiando o projeto por simuladores e o desenvolvimento prático; seguido de exposições teóricas, apoiadas por: simulações, slides e vídeos. Em resumo, a metodologia tem como base a relação prática entre Conteúdos, Atividades e Produtos. Neste contexto, o conteúdo é toda base de conhecimento necessária a aula; a atividade é tida ação de aprendizado e; o produto é qualquer produção prática e/ou teórica sobre o conteúdo, podendo até ser uma aplicação deste ou até mesmo uma ação de aprendizado com escopo expandido.
A nota final será dada pelas avaliações dos artefatos (provas práticas e teóricas, relatórios, listas de exercícios - manuscritas, apresentações orais, infográficos, postagens, vídeos, ...) produzidos durante as aulas e entregues em das datas especificadas. O aluno também poderá ser avaliado através de outros recursos, como p.ex. a frequência e a apresentação de artefatos não obrigatórios - os quais poderão até ter pontuação extra.
Conteúdo:
Magnetismo, Carga Elétrica, Energia e Circuito Elétrico.
Atividades:
Aprendendo alguns conceitos relacionados a eletricidade com a construção de circuitos elétricos.
Nos Circuitos Elétricos apresentados, observe os circuitos, teste o seu funcionamento e identifique os conceitos.
Reproduza no TinkerCAD apenas o circuito a esquerda, usando os componentes previamente selecionados.
Substitua a lâmpada por um Buzzer, que usa do eletromagnetismo para produzir sons.
Construindo Circuitos Elétricos com Lâmpadas e Relés (tipos).
Reproduza no TinkerCAD apenas o circuito a direita, usando os componentes previamente selecionados.
Em uma primeira versão use apenas componentes e fios. Na segunda versão, use a placa de prototipagem.
Um exemplo de aplicação: Controle de Bomba D'água.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, desenvolver no TinkerCAD um circuito de alarme com sensores magnéticos (de porta) e relés para ativação da sirene do alarme sonoro - para isso o sensor deverá ativar o relé, que irá ativar a sirene. Lembrem-se que o relatório (roteiro) desta atividade fará parte do trabalho prático da primeira avaliação.
Produtos:
Desafio Futuro: Construa um circuito elétrico, para salvar um bit. Este circuito deve usar relés como componentes principais. Observa-se que Isso já era feito na primeira metade do século 20. Recursos: i) Relé Experimental e; ii) Controle de Bomba D'água.
Exemplos de Apresentação de Trabalhos: Canudinho Elétrico e Eletroímã Simples.
Laboratórios Virtuais: Falstad Circuit Simulator; TinkerCAD (tutoriais).
Sugestões para Experimentos: 1-5, 6-8, 9-17, 18-25, 26, 27, 28-37, 38, 39 e 40.
Conteúdo:
Corrente Elétrica, Resistência Elétrica, Capacitores e Circuitos RC.
Atividades:
Aprendendo alguns conceitos sobre corrente e resistência elétrica.
Siga as instruções na Simulação, verificando o funcionamento dos componentes e observando a eventual alteração da corrente no circuito.
Observando o funcionamento dos Circuitos RC.
Entenda o efeito do uso dos Capacitores nos Circuitos RC Série e Paralelo.
Siga as instruções na simulação de Circuito RC, tentando explicar a relação entre a resistência, o carregamento do capacitor e a corrente no circuito. Caso queira ter uma melhor compreensão do circuito, replique-o no Falstad.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, reproduza e teste o circuito do Temporizando o Acendimento da Lâmpada, no TinkerCAD. Use a Fonte de Bancada para alimentar o circuito. Faça quatro testes; e a partir do segundo, siga multiplicando o valor do resistor por 10. Relacione o resultado do teste com os conceitos apresentados nessa aula. Novamente lembro que o relatório (roteiro) desta atividade fará parte do trabalho prático da primeira avaliação.
Produtos:
Desafio Futuro: Partindo do princípio de que geradores de pulso são usados para a contagem de tempo nos computadores, desenvolva um circuito eletrônico rudimentar, que gere pulsos elétricos. O conceito fundamental e o funcionamento dos osciladores podem ser encontrados no artigo Como funcionam os osciladores.
Exemplos de materialização de trabalhos: Observando um Circuito RC e Inversor - Porta NOT.
Aplicativo: Calculadora de Divisor de Tensão.
Conteúdo:
Dispositivos Semicondutores e Introdução aos Microcontroladores.
Atividades:
Destacando o Conceito dos Semicondutores, assim como suas Principais Características.
Comentando sobre o Conceitos de Corrente Alternada e Contínua; seus Possíveis Efeitos e Aplicações.
Exemplificando os conceitos com a explicação do funcionamento de um Diodo.
Polarização Direta e Inversa: Tipos de Diodos e Teste Prático.
Exemplo de aplicação do Diodo em um Localizador de Interruptor. Tente entender o funcionamento do circuito seguindo as instruções na simulação e, opcionalmente, reproduza o circuito no TinkerCAD: i) use o gerador de funções como gerador de tensão; ii) adapte os parâmetros da simulação às características do gerador e; iii) verifique (calcule) a resistência interna da lâmpada.
Exemplo de aplicação do Diodo com o Retificador. Siga as instruções na simulação e pesquise por melhores opções de Retificadores com Diodos.
Explicando o processo de Miniaturização dos Computadores.
Iniciado a partir do desenvolvimento e da miniaturização dos Transistores.
Os Transístores normalmente são usados como Chave Eletrônica ou Amplificadores.
Bilhões de Transístores miniaturizados são inseridos nos Circuitos Integrados, e são normalmente organizados em Portas Lógicas.
Comentando sobre os Microcontroladores, seus Principais Componentes e sua Organização Básica.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, construa e teste uma Chave Eletrônica do TinkerCAD seguindo os passos descritos. i) Conecte em série a chave analógica e resistor; ii) Conecte a "série" entre o polo positivo da pilha e a base do transistor; iii) Conecte o emissor ao polo negativo da pilha; iv) Conecte um terminal da lâmpada ao coletor do transistor; v) Conecte o outro terminal ao polo positivo da pilha; vi) Inicie a simulação e acione a chave analógica para testar o circuito; vii) use o multímetro para verificar as tensões e correntes em alguns pontos do circuito e; viii) faça o relatório da atividade.
Produtos:
Conteúdo:
Lógica digital e Aplicações para Portas Lógicas.
Atividades:
Apresentando as Portas Lógicas, seu Conceito e Onde são Encontradas.
Observe o uso do Transistor como Chave, no contexto dos Fundamentos da Eletrônica Digital.
Como são criadas as Portas Lógicas.
Teste cada circuito da simulação com foco nos Elementos Básicos da Eletrônica Digital.
Muitas delas são Derivadas das Portas Elementares.
Verifique, com o Logic.ly, a compatibilidade das saídas com a Tabela Verdade da Operações Lógicas Básicas.
Modelando digitalmente a lógica da Linha de Envasamento.
Observe atentamente cada detalhe do problema e construa a tabela verdade para o mesmo. Use a "Calculadora de Circuito" e, para cada saída: i) selecione a opção para duas variáveis de entrada; ii) entre com dos dados da saída esperada e; iii) observe a expressão lógica e o circuito equivalente.
Avaliativa: Em uma indústria, um sistema de controle automatizado conta com quatro sensores para definir a atuação do sistema controlado. Observa-se, para a saída do circuito de controle, a seguinte disposição de níveis lógicos: H, L, H, L, H, H, H, L, H, H, L, L, L, H, L, L. Em equipes de 3 a 5 alunos e obedecendo especificações apresentadas, desenvolva a tabela verdade e o circuito lógico para o sistema de controle. Em seguida faça o relatório da atividade, explicado o processo de desenvolvimento do circuito com o uso da "Calculadora de Circuito", assim como os testes do produto. Não esqueçam de fazer o Relatório Final da Primeira Avaliação.
Produtos:
Simples Implementação de Porta NOT.
Conteúdo:
Revisão de conteúdos e 1ª Avaliação.
Atividades:
Relatório de Produto e/ou Prova Prática 1.
Conteúdo:
Álgebra de Boole, Circuitos Digitais e Simplificação de expressões.
Atividades:
Usando a Álgebra de Booleana para gerar e simplificar circuitos digitais.
O Teorema de De Morgan em complemento a Álgebra de Boole.
Simplificando como Mapa de Karnaugh de 2, 3, ... variáveis.
Entendendo a importância das portas NAND e NOR.
Execute as instruções da simulação e pense por uma utilidade para os produtos - lembre dos primeiros desenvolvedores de PCs.
Demonstrando que nem todo circuito deve usar Álgebra de Boole em sua solução.
Exercícios: Usando como base de conhecimento o texto "Álgebra Booleana e Simplificação Algébrica", justifique o exemplo 4 (Simplifique as equações lógicas - pag. 4) de modo que cada fase da solução do problema seja "etiquetada" com seu respectivo axioma/teorema, como no exemplo.
Produtos:
Conteúdo:
Introdução aos Circuitos Combinacionais e Circuitos Aritméticos e Lógicos.
Atividades:
Construindo um Somador de Bits (simples e completo).
Observe Tabela Verdade para Soma.
"Calcule" a expressão e o circuito lógico.
Construa os Circuito de Soma no Logic.ly.
Construa o Somador de 4 Bits no Logic.ly.
Entendendo um Multiplicador por 2 via Deslocamento.
Observe o modo como os Codificadores de 7 Segmentos estão ligados.
Observe na Simulação a importância dos conceitos de MSB e LSB.
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos desenvolva um Subtrator de 4 Bits usando 4 somadores de 1 Bit. Lembrem-se da operação de Complemento de 2. Em seguida faça o relatório da atividade.
Produtos:
Somador de 4 Bits (Protótipos: Arduino e CI).
Gerador de Bit de Paridade Par. Desafio: Verificador de Bit de Paridade Impar.
Conteúdo:
Conversores de Código & Seletores.
Revisão de Lógica Combinacional (até a página 15).
Circuitos Digitais (Capítulo 5 - 5.5 a 5.8).
Atividades:
Entendendo os Conversores de Código ou Codificadores.
São normalmente obtidos pela análise da Tabela Verdade para um determinado problema.
No exemplo, observa-se a relação entre Tabela Verdade, Diagrama Geral e Circuito.
Praticando com Circuitos Seletores.
No Logic.ly, construa e teste um Sequenciador de 4 Estágios.
Compare o circuito construído com o Selecionador.
Intercalando e Distribuindo Dados.
Compare o circuito do Sequenciador de 4 Estágios com os circuitos de MUX e de DEMUX.
Exemplo de aplicação: Transmissor Serial v1.
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, no simulador Logic.ly, desenvolver e testar um circuito lógico para converter um determinado conjunto de bits (número binário em p.ex. 4 bits) para o seu equivalente em Código de Gray. Em seguida faça o relatório da atividade.
Produtos:
Conteúdo:
Revisão de conteúdos e 2ª Avaliação.
Atividades:
Álgebra de Boole e Circuitos Combinacionais.
Produtos:
Relatório de Produto e/ou Prova Prática 2.
Conteúdo:
Introdução aos Circuitos Sequenciais e Latches.
Circuitos Digitais (Capítulo 6 - 6.1 a 6.3).
Circuitos Combinacionais e Circuitos Sequenciais Flip Flop Set Reset.
Atividades:
Conhecendo os Circuitos Sequenciais.
Apresentando Alguns Latches (usados no armazenamento de Bits).
Siga as instruções da simulação e implemente RS Controlado no Logic.ly.
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
Outro exemplo de aplicação: Transmissor Serial v2.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, no simulador Logic.ly, desenvolver e testar os Latches apresentados. Em seguida faça o relatório da atividade.
Produtos:
Conteúdo:
Flip-Flops RS, JK e D.
Circuitos Digitais (Capítulo 6 - 6.4 a 6.7).
Atividades:
Diferenciando Latches de Flip-Flops.
Pela Adição do Sinal de Controle (Exemplo Básico)
Pela Ativação via Sinal de Borda.
Siga as instruções da simulação e implemente RS Controlado no Logic.ly.
Comparando Divisores de Frequência.
Siga as instruções da simulação e implemente RS Controlado no Logic.ly.
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
Outros exemplos de aplicação:
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, no simulador Logic.ly, desenvolver e testar os Flip-Flops apresentados. Em seguida faça o relatório da atividade.
Produtos:
Problema: Quando se ouve falar em circuitos de memória, logo se pensa em computadores, calculadoras e similares. No entanto, os circuito de memória estão presentes nos mais diversos produtos, como nos mais rudimentares equipamentos de segurança (simples sistemas de detecção de presença) ou em pequenos sistemas de automação (controle de bomba/caixa d'água). Sendo assim, desenvolva um projeto básico de um circuito de controle para uma porta de garagem, composto por um motor (de duas direções) e dois sensores (para portão aberto e fechado). O sistema será acionado por um controle remoto com apenas um botão para acionamento e/ou parada do motor.
Conteúdo:
Registradores de Deslocamento e Contadores.
Atividades:
Observando o funcionamento do Registrador de Deslocamento.
Analise a estrutura do circuito, verificando a forma como os dados são "deslocados" dentro do circuito.
Contando em Modo Assíncrono e Síncrono.
Observe as diferenças entre os circuitos e o modo como implementam a contagem.
Programando um Sensor de Passagem com Arduino.
Teste o circuito e verifique se qualquer alteração de luminosidade liga o LED.
Pode-se configurar o nível de luminosidade que liga o LED? Por Hardware ou por Software?
Avaliativa: Em grupos de 3 a 5 alunos, desenvolver um pequeno artigo (de 2 a 4 páginas) sobre o tema: "Internet da Coisas". Os materiais do "Conteúdo" e os textos seguir, devem ser usados como base para gestão do conhecimento da atividade.
Exemplo de Artigo com Falhas: "Computador: conceitos e aplicações".
Produtos:
Conteúdo:
Atividades:
Apresentando os DPLs.
Diagramas das precursoras ROMs e das atuais PROMs. Um exemplo de implementação de "PROM para Circuitos Lógicos Combinacionais".
Estruturas das FPGAs e dos Microcontroladores 8051 e ATMega328p.
Controlando a "Pulsação" de um LED.
O BlocklyDuino Editor como facilitadora do processo.
Exemplo de outros Sensores em um Medidor de Luminosidade do Ambiente.
Implementando Operações Lógicas em Microcontrolador:
Uso de programação tradicional para implementar AND e OR.
Uso de programação em lógica para implementar um DeMUX.
Observe o problema e simplifique (se necessário) com o Logic Circuit Simplification.
Prototipagem do DeMUX.
Avaliativa: Em equipes de 3 a 5 alunos, no Arduino, desenvolver e testar um circuito para fazer um letreiro eletrônico que mostre a frase "Na Aula de ED", e a cada aperto em um botão de pressão, registre a entrada de um aluno na aula. Usem como base os exemplos Button e LCD, do TinkerCAD.
Produtos:
Conteúdo:
Revisão de conteúdos e 3ª Avaliação.
Atividades:
Circuitos Sequenciais.
Produtos:
Relatório de Produto e/ou Prova Prática 3.
Conteúdo:
Aplicações para Microcontroladores.
Atividades:
Desenvolvendo e Programando Semáforos.
Programando um Semáforo Digital Microcontrolado.
Observando um Microcontrolador Controlando Microcontrolador.
Programando Semáforos com Possibilidade de Adição de Controles.
Produtos:
IDOETA, Ivan V; CAPUANO, Francisco G. Elementos de eletrônica digital. 41. ed., rev. e atual. São Paulo: Érica, 2012.
GARCIA, Paulo Alves. Eletrônica Digital - Teoria e Laboratório. Erica, 2006.
HALLIDAY, D., Resnick, R.; KRANE, K.S. Fundamentos de Física, v. 3, Rio de Janeiro: LTC Ltda, 1992.
MALVINO, Albert Paul, Eletrônica, v 1. McGraw-Hill, 1995.
MALVINO, Albert Paul, Eletrônica, v 2. McGraw-Hill, 1995.
YOUNG, Hugh D. Eletromagnetismo, São Paulo: Addison Wesley, 2009.
Eletrônica (livro).
Fundamentos de Eletricidade (Livro).
Eletrônica Básica (Manual do Professor).
Semicondutores – O que são e para que servem!
Álgebra Booleana e Aplicações - Hirata.
Técnicas Digitais - Bonaldo.
Eletrônica Digital - Diago e Amaral.
Operações básicas - Vídeo Aula 1.
Circuitos Lógicos e Expressões Booleanas - Vídeo Aula 2.
Teorema Booleanos e Demorgam - Vídeo Aula 3.
Soma de Produtos e Simplificação de Circuitos Lógicos - Vídeo Aula 4.
Projetar Circuitos Lógicos Combinacionais - Vídeo Aula 5.
Mapa de Karnaugh - Vídeo Aula 6.1.
Mapa de Karnaugh - Vídeo Aula 6.2.
Introdução Flip-flop - Vídeo Aula 7.
Flip-flop com portas NOR - Vídeo Aula 8.
Em grupos de 5 a 8 alunos, desenvolver uma apresentação ou um infográfico interativo de 5 a 10 minutos, unindo o conhecimento obtido no acesso aos materiais do "Conteúdo" da Aula 1, com os resultados obtido na execução dos experimentos a seguir.
Fazendo um Canudinho Elétrico. Troque o material do canudinho e depois verifique se algo acontecer na troca do filete de água da torneira, pela superfície de um copo completamente cheiro de água. Registre detalhadamente suas observações.
Fazendo um Eletroímã Simples. Use núcleos, fios, número de espiras e alvos metálicos diferentes. Mantenha a segurança do experimento seguindo atentamente as instruções. Compare as observações registradas com o conhecimento obtido nos materiais teóricos.
Recursos como Genially, Canva, Prezi, Miro e outros, podem ser usados para o desenvolvimento do produto.
Em grupos de 5 a 8 alunos, desenvolver uma apresentação ou um infográfico interativo de 5 a 10 minutos, unindo o conhecimento obtido no acesso aos materiais do "Conteúdo" da Aula 2, com os resultados obtido na execução do experimento a seguir.
Construção de um circuito RC no TinkerCAD. Replique o circuito no Falstad. Execute as simulações observando as diferenças; e no circuito replicado, divida o valor do resistor por 10 e teste novamente.
A portaria automatizada de um prédio só permite acesso à pessoas previamente cadastradas no sistema. Se não forem moradores, devem estar na lista de convidados. Um subsistema de identificação visual, instalado no portão principal, escaneia a face do indivíduo e envia um sinal (S1) lógico alto, quando o indivíduo está cadastrado no sistema. Sendo morador, o indivíduo será liberado; caso contrário, ao chegar na portaria, o indivíduo deve inserir um documento de identificação (com nome e foto) em um equipamento que fará a leitura dos dados e enviará um sinal (S2) lógico alto, caso o indivíduo esteja na lista.
Em grupos de 5 a 8 alunos e obedecendo as premissas descritas no parágrafo anterior, crie um circuito digital que receba estes dois sinais e gere um sinal de saída alto, sempre que o indivíduo tiver permissão para entrar no prédio. Em seguida deve ser desenvolvida uma apresentação ou um infográfico interativo de 5 a 10 minutos, para explicar o processo de desenvolvimento do circuito, tanto com o uso da Álgebra Booleana, quanto com a "Calculadora de Circuito". A explicação deve usar como base o conhecimento obtido com o acesso aos materiais de "Conteúdo" das aulas 3 e 4.
Em uma indústria, um sistema de controle automatizado conta com quatro sensores para definir a atuação do sistema controlado. Observa-se, para a saída do circuito de controle, a seguinte disposição de níveis lógicos: H, L, H, L, H, H, H, L, H, H, L, L, L, H, L, L.
Em grupos de 5 a 8 alunos e obedecendo especificações apresentadas, desenvolva uma tabela verdade e o circuito lógico para o sistema de controle. Em seguida deve ser desenvolvida uma apresentação ou um infográfico interativo de 5 a 10 minutos, para explicar o processo de desenvolvimento do circuito, tanto com o uso da Álgebra Booleana, quanto com a "Calculadora de Circuito". A explicação deve usar como base o conhecimento obtido com o acesso aos materiais de "Conteúdo" da aula 6.
Em grupos de 5 a 8 alunos desenvolva um circuito digital que, com duas entradas de dados (bits) e uma entrada para seleção de operação, implemente uma soma ou uma subtração, com os dados de entrada. Em seguida deve ser desenvolvida uma apresentação ou um infográfico interativo de 5 a 10 minutos, para explicar o processo de desenvolvimento do circuito, tanto com o uso da Álgebra Booleana, quanto com a "Calculadora de Circuito". A explicação deve usar como base o conhecimento obtido com o acesso aos materiais de "Conteúdo" da aula 7.
Em grupos de 5 a 8 alunos, desenvolver e responder uma Lista de Exercícios com 10 questões sobre o tema "Conversores de Código & Seletores". Use como base os materiais do "Conteúdo" da Aula 8 e o texto Uma visão sobre a conversão de código binário em código cinza e suas aplicações.
As memórias internas (de trabalho) de um microprocessador normalmente usam das tecnologias mais rápidas para o seu desenvolvimento. Normalmente estas tecnologias tem como base os Flip-Flips. Desta forma, faça um projeto de memória com base em Flip-Flops, para armazenar dois bits, com controles de habilitação de escrita e efetivação de escrita sensível a borda de subida.
Em grupos de 5 a 8 alunos e obedecendo especificações apresentadas, desenvolva um circuito lógico para o sistema de controle. Em seguida deve ser desenvolvida uma apresentação ou um infográfico interativo de 5 a 10 minutos, para explicar o processo de desenvolvimento do circuito. A explicação deve usar como base o conhecimento obtido com o acesso aos materiais de "Conteúdo" da aula 11.