Eletrônica Digital
1. Componente Curricular:
Eletrônica Digital
2. Carga Horária:
60 horas
3. Objetivo:
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.
4. Ementa:
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.
5. Conteúdo Programático:
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.
6. Abordagem Metodológica:
Aprender fazendo e fazer aprendendo. As ações implementadas têm como foco o aprendizado de 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 tríade Conteúdo, Atividade e Produto.
A nota final será dada pelas avaliações dos artefatos (relatório, lista de exercício - manuscritas, apresentação oral, pôster, postagem, vídeo, ...) produzidos durante as aulas e entregues em cada uma das datas especificadas. O aluno também será avaliado através de outros recursos, como p.ex. a frequência e a apresentação de artefatos não obrigatórios - os quais poderão até ter pontuação extra.
7. Plano de Aprendizado:
Aula 1
Conteúdo:
Magnetismo, Carga Elétrica, Energia e Circuito Elétrico.
Atividades:
Construindo Circuitos Elétricos. Implemente no µe-Lab:
Apenas o circuito a esquerda.
Substitua a lâmpada pelo Buzzer.
Construindo Circuitos Elétricos com Lâmpadas e Relés no TinkerCAD.
Observe os circuitos e teste o seu funcionamento.
Reproduza os circuitos no TinkerCAD, usando os componentes previamente selecionados.
Em uma primeira versão use apenas componentes e fios.
Na segunda versão, use a placa de prototipagem.
Avaliativas:
Fazendo um Canudinho Elétrico.
Troque o material usado.
Verifique se algo acontecer na superfície de um copo d'água.
Fazendo um Eletroímã Simples.
Use núcleos, fios, número de espiras e alvos diferentes.
Desafio Futuro: Construa um circuito elétrico, para salvar um bit. Este circuito deve usar componentes eletromecânicos como elementos principais.
Produtos:
Aula 2
Conteúdo:
Corrente Elétrica, Resistência Elétrica, Capacitores e Circuitos RC.
Noções Básicas de Eletroeletrônica Prática (18 a 35).
Curso Prático de Eletrônica Geral (até a página 20).
Atividades:
Comprovando o funcionamento do Circuito RC.
Siga as instruções na simulação.
Tente explicar a relação entre a carga do capacitor e a corrente no circuito.
Caso queira ter uma melhor compreensão do circuito, replique-o no Falstad.
Avaliativas:
Construção de um circuito RC no TinkerCAD.
Replique o circuito no Falstad.
Execute as simulações e observe as diferenças.
No circuito replicado, divida o valor do resistor por 10 e teste novamente.
Desafio Futuro: Partindo do princípio de que geradores de pulso são usados para a contagem de tempo nos computadores, desenvolva um circuito eletrônico que gere pulsos elétricos rudimentares.
O conceito fundamental: Constante de Tempo - Circuito RC.
Produtos:
Exemplos de apresentação de trabalho:
Aplicativo: Calculadora de Divisor de Tensão.
Aula 3
Conteúdo:
Dispositivos Semicondutores e Introdução aos Microcontroladores.
Atividades:
Entendendo um Localizador de Interruptor.
Siga as instruções na simulação.
Reproduza o circuito no TinkerCAD.
Use o gerador de funções como gerador de tensão.
Adapte os parâmetros da simulação às características do gerador.
Verifique (calcule) a resistência interna da lâmpada.
Entendendo um Retificador Rudimentar de Tensão.
Siga as instruções na simulação.
Pesquise por melhores opções de retificadores com diodos.
Montando uma Chave Eletrônica do TinkerCAD.
Conecte em série a chave analógica e resistor
Conecte a "série" entre o polo positivo da pilha e a base do transistor.
Conecte o emissor ao polo negativo da pinha.
Conecte um terminal da lâmpada no coletor do transistor.
Conecte o outro terminal no polo positivo da pilha.
Inicie a simulação e acione a chave analógica para testar o circuito.
Avaliativas:
No circuito da Chave Eletrônica, verificar:
A corrente no coletor do Transistor.
Se o BC548 pode ser usado neste circuito.
Desafio: Nos atuais circuitos de automação, componentes semicondutores são usados como base para a construção destes. Tendo como base os transístores, desenvolva (no Falstad) um circuito para um simples sensor de toque.
Produtos:
Monitor de Bateria v1 e v2; Fonte com Ponte Retificadora.
Para Observar: Ligando um LED e Programando um LED.
Projeto: Luz Noturna Automática.
Aula 4
Conteúdo:
Lógica digital e Aplicações para Portas Lógicas.
Atividades:
Observando Portas Lógicas com Transistores.
Teste cada circuito da simulação e tente entender o funcionamento.
Verifique a compatibilidade das saídas com a Tabela Verdade da Operações Lógicas Básicas.
Construindo uma Porta NOT.
Entendendo a Lógica da Linha de Envasamento.
Leia atentamente cada detalhe do problema.
Construa a tabela verdade para o problema.
Use a "Calculadora de Circuito" e, para cada saída:
Selecione a opção par duas variáveis de entrada.
Entre com dos dados da saída esperada.
Observe a expressão lógica e o circuito equivalente.
Avaliativa:
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. Obedecendo estas premissas, 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.
Produtos:
Aula 5
Conteúdo:
Revisão de conteúdos e 1ª Avaliação.
Atividades:
Relatório de Produto e/ou Prova Prática 1.
Aula 6
Conteúdo:
Álgebra de Boole, Circuitos Digitais e Simplificação de expressões.
Circuitos Digitais (Capítulo 4).
Atividades:
Entendendo a importância das portas NAND e NOR.
Execute as instruções da simulação.
Pense por uma utilidade para o produto. Lembre dos primeiros desenvolvedores de PCs.
Sequenciando 4 LEDs: Circuito e Protótipo.
Montar um sequenciador com base em seletores de saída.
Automatizar a entrada com geradores de Clock.
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. Obedecendo especificações apresentadas, desenvolva um circuito lógico para o sistema de controle.
Produtos:
Aula 7
Conteúdo:
Introdução aos Circuitos Combinacionais e Circuitos Aritméticos e Lógicos.
Circuitos Digitais (Capítulo 5 - 5.1 a 5.4).
Atividades:
Construindo um Somador de Bits (simples e completo).
Construindo uma Tabela Verdade para Soma.
"Calculando" a expressão e o circuito lógico.
Construindo um Circuito de Soma 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:
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.
Desafio: Desenvolver um Conversor BCD para 7 Segmentos.
Produtos:
Aula 8
Conteúdo:
Conversores de Código & Seletores.
Revisão de Lógica Combinacional (até a página 15).
Circuitos Digitais (Capítulo 5 - 5.5 a 5.8).
Atividades:
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
Problema: Desenvolver 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.
Produtos:
Aula 9
Conteúdo:
Introdução aos Circuitos Sequenciais e Latches.
Circuitos Digitais (Capítulo 6 - 6.1 a 6.3).
Atividades:
Conhecendo Latches (Armazenando Bits).
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
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.
Produtos:
Gerador de Bit de Paridade Par.
Desafio: Verificador de Bit de Paridade Impar.
Aula 10
Conteúdo:
Revisão de conteúdos e 2ª Avaliação.
Atividades:
Álgebra de Boole e Circuitos Combinacionais.
Produtos:
Relatório de Produto e/ou Prova Prática 2.
Aula 11
Conteúdo:
Flip-Flops RS, JK e D.
Circuitos Digitais (Capítulo 6 - 6.4 a 6.7).
Atividades:
Identificando os componentes na Máquina de 2 Bits.
Problema: 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.
Produtos:
Aula 12
Conteúdo:
Registradores de Deslocamento e Contadores.
Atividades:
Observando o funcionamento do Registrador de Deslocamento.
Contando em Modo Assíncrono e Síncrono.
Programando um Sensor de Passagem com Arduino.
Pergunta-se:
Testando o circuito, observa-se que qualquer alteração de luminosidade liga o LED?
Podemos configurar o nível de luminosidade que liga o LED? Por Hardware ou por Software?
Produtos:
Relógios: MM:SS e HH:MM; Transmissor Serial de Dados v4; Contador decimal de 0 a 9.
Desafio: Cronômetro.
Aula 13
Conteúdo:
Atividades:
Observando o funcionamento de uma "ROM-DLP" Programável.
Controlando a "Pulsação" de um LED (melhor programado no BlocklyDuino Editor).
Verificando características de Sensores em um Medidor de Luminosidade do Ambiente.
Implementando Operações Lógicas em Microcontrolador:
Usando de programação tradicional para implementar AND e OR (BlocklyDuino Editor).
Usando de programação em lógica para implementar um DeMUX.
Observando o problema.
Simplificando com o Logic Circuit Simplification (nem é necessário).
Implementando em Lógica: DeMUX.
Problema: A implementação de circuitos digitais complexos é uma atividade normalmente árdua. No entanto, como o uso dos DLPs, a tarefa pode ser menos "trabalhosa", pois ao invés de implementar um circuito com CIs diversos, o desenvolvedor "programa" uma "solução". Um exemplo disso está no desenvolvimento dos comuns letreiros e painéis eletrônicos. Dito isso, use uma plataforma como o Arduino para fazer um letreiro eletrônico que mostre a famosa frase "Olá Mundo!".
Produtos:
Aula 14
Conteúdo:
Aplicações para Microcontroladores.
Atividades:
Avaliando um Semáforo Digital Simples.
Programando um Semáforo Digital Microcontrolado.
Observando um Microcontrolador Controlando Microcontrolador.
Programando semáforos com possibilidade de adição de controles.
Produtos:
Aula 15
Conteúdo:
Revisão de conteúdos e 3ª Avaliação.
Atividades:
Circuitos Sequenciais.
Produtos:
Relatório de Produto e/ou Prova Prática 3.
8. Bibliografia:
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.
9. Leitura Complementar:
Fundamentos
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.
Sistemas Digitais - José Luís Güntzel
10. Vídeos de Apoio
10.1. Eletrônica Digital - PET UFBA
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.