Eletrônica Digital/Sistemas analógicos e digitais

Conceitos básicos

Introdução

Quando se ouve o termo “digital”, pensa-se imediatamente em “relógio digital” ou “calculadora digital”. Provavelmente, esta associação deve ser atribuída à popularidade que estas máquinas adquiriram devido à queda acentuada em seus preços, tornando-as acessíveis à grande maioria das pessoas. Apesar disso, é importante saber que as calculadoras e computadores representam apenas uma parcela do grande leque de aplicações dos circuitos digitais. Estes circuitos podem ser encontrados em produtos eletrônicos, como por exemplo, videogames, fornos de microondas, sistemas de controle automotivos e equipamentos de testes, como medidores, geradores e osciloscópios. As técnicas digitais vieram substituir alguns dos antigos “circuitos analógicos” usados em produtos de consumo, como rádios, TVs e equipamentos de áudio de alta fidelidade.

Vamos ver os princípios e técnicas que são comuns a todos os sistemas digitais. Inicialmente serão introduzidos alguns conceitos básicos vitais na Eletrônica Digital. Novas terminologias aparecerão no início de cada assunto, sempre que for preciso.

Representações Numéricas

Lidamos constantemente com quantidades, que são medidas, monitoradas, gravadas, manipuladas aritmeticamente e utilizadas na maioria dos sistemas físicos. Quando lidamos com determinadas quantidades, é de extrema importância o conhecimento de como representar seus valores de maneira eficiente e precisa. Basicamente, existem duas formas de representação dos valores numéricos das quantidades: a analógica e a digital.

Representação Analógica – Analogicamente, uma quantidade é representada por outra que é proporcional à primeira. No velocímetro de um automóvel, a deflexão do ponteiro é proporcional à velocidade do veículo. A posição angular do ponteiro representa o valor da velocidade do veículo, e qualquer variação é imediatamente refletida por uma nova posição do ponteiro. Outro exemplo é o termômetro, em que a altura da faixa de mercúrio é proporcional à temperatura do ambiente. Quando ocorrem mudanças na temperatura, a altura da coluna de mercúrio também muda proporcionalmente.

Quantidades analógicas como as que acabamos de exemplificar têm uma característica importante: elas variam continuamente dentro de uma faixa de valores. A velocidade do automóvel pode assumir qualquer valor entre zero e, digamos, 100 km por hora.

Representação Digital – Na representação digital, as quantidades são representadas por símbolos chamados dígitos, e não por valores proporcionais. Um exemplo clássico é o relógio digital, que apresenta as horas, minutos e às vezes os segundos, na forma de dígitos decimais. Como se sabe, o tempo varia continuamente, mas o relógio digital não mostra as variações de maneira contínua; pelo contrário, o valor é apresentado em saltos de um em um segundo ou minuto.

Em virtude da natureza discreta da representação digital, as leituras neste sistema não apresentam problemas de ambigüidade, em contraposição ao sistema analógico, em que as leituras deixam margem à interpretação do observador.

Sistemas Digitais e Analógicos

Costuma-se dividir a Eletrônica em duas áreas: Eletrônica Analógica e Eletrônica Digital. Uma maneira bem simples para se entender o conceito das palavras Analógico e Digital, é a comparação de uma rampa com uma escada. Ao se analisar a rampa, percebe-se que uma pessoa poderá ocupar cada uma das infinitas posições existentes entre o início e o fim. No caso da escada, a pessoa poderá estar em apenas um dos seus degraus. Sendo assim, é correto dizer que a rampa pode representar um sistema analógico, enquanto que a escada pode representar um sistema digital.

No voltímetro analógico o ponteiro pode ocupar infinitas posições entre o maior e menor valor da escala, no voltímetro digital os valores mostrados no display são discretos, isto é, existe um número finito de valores entre o maior e o menor valor da escala. Outro exemplo pode ser encontrado no ajuste de volume de um televisor. Ajustando o volume do televisor através de um botão conectado a um potenciômetro, teremos infinitas posições para escolher dentro da escala permitida. Porém, no controle remoto observamos que a intensidade do som muda em pequenos saltos e, em alguns modelos, aparece no vídeo o valor selecionado em uma escala previamente definida.

Podemos dizer então que o "botão de volume" do televisor é uma entrada analógica, e que o ajuste de volume no controle remoto representa uma entrada digital. Podemos concluir que a Eletrônica Analógica processa sinais com funções contínuas e a Eletrônica Digital processa sinais com funções discretas.

Vantagens das Técnicas Digitais

O grande crescimento da eletrônica está relacionado com o uso de técnicas digitais para implementar funções que eram realizadas usando-se os métodos analógicos. Os principais motivos da migração para a tecnologia digital são:

Os sistemas digitais são mais fáceis de ser projetados. Isso porque os circuitos utilizados são circuitos de chaveamento, nos quais não importam os valores exatos de tensão ou corrente, mas apenas a faixa – Alta (High) ou Baixa (Low) – na qual eles se encontram.

Fácil armazenamento de informação. Técnicas de armazenamento digitais podem armazenar bilhões de bits em um espaço físico relativamente pequeno. Já a capacidade de armazenamento de um sistema analógico é extremamente limitada.

Maior precisão e exatidão. Nos sistemas analógicos, a precisão é limitada porque os valores de tensão e corrente são diretamente dependentes dos valores dos componentes do circuito, além de serem muito afetados por ruídos.

As operações podem ser programadas. É relativamente fácil e conveniente desenvolver sistemas digitais cuja operação possa ser controlada por um conjunto de instruções previamente armazenadas, denominado programa. Os sistemas analógicos também podem ser programados, mas a variedade e a complexidade das operações envolvidas são bastante limitadas.

Os circuitos digitais são menos afetados por ruídos. Flutuações espúrias na tensão (ruído) não são tão críticas em sistemas digitais, desde que o ruído não tenha amplitude suficiente que dificulte a distinção entre um nível Alto e um nível Baixo.

Os circuitos digitais são mais adequados à integração. É verdade que o desenvolvimento da tecnologia de integração (CIs) também beneficiou os circuitos analógicos, mas a sua relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser economicamente integrados (capacitores de grande capacitância, resistores de precisão, indutores, transformadores) não permitiram que os circuitos analógicos atingissem o mesmo grau de integração dos circuitos digitais.

Limitações das Técnicas Digitais

Na verdade, há apenas uma grande desvantagem ao se utilizar as técnicas digitais: o mundo é quase totalmente analógico. Grandezas que comprovam isso são a temperatura, a pressão, a posição, a velocidade, o nível de um líquido e a vazão. Para obter as vantagens das técnicas digitais quando se trabalha com entradas e saídas analógicas, três passos devem ser seguidos:

Converter as entradas analógicas do mundo real para o formato digital.
Realizar o processamento da informação digital.
Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico.

Na Figura 1 a seguir é apresentado o diagrama de um sistema de controle de temperatura típico. Conforme o diagrama, a temperatura analógica é medida e o valor medido é em seguida convertido para digital. A informação digital é processada e convertida de volta para o formato analógico. Essa saída alimenta um controlador que comanda alguma ação para o ajuste da temperatura.

Fig. 1 - Sistema de Controle de Temperatura com Conversões Analógico-Digitais.

Para simplificar ainda mais o processamento de sinais digitais, utiliza-se a técnica de numeração binária, que usa apenas dois símbolos para a representação de números. Esse sistema de numeração será visto com maiores detalhes adiante. Se for utilizada a numeração binária, ter-se-á um Conjunto Universo com apenas dois elementos distintos para representar os sinais desejados. Isso quer dizer que num dispositivo digital eletrônico teremos o processamento de elementos que se apresentam em apenas dois valores. A esses conjuntos dá-se o nome de BITs (BInary DigiT) e BYTES (conjunto de 8 bits). Ao se trabalhar com sistemas binários, são utilizadas abreviações para certas potências de dois, como detalhadas na Tabela 1 a seguir.

Tabela 1 – Abreviações utilizadas para potência de 2.

Número de Bits	Valor	Abreviação
10 Bits	2¹⁰ = 1.024	1 Kb (Kilobit)
16 Bits	2¹⁶ = 65.536	64 Kb (Kilobit)
20 Bits	2²⁰ = 1.048.576	1 Mb (Megabit)
30 Bits	2³⁰ = 1.073.741.820	1 Gb (Gigabit)

O sistema de numeração binário é o mais importante sistema de numeração em sistemas digitais. Porém, outros sistemas também são muito utilizados, sendo necessária uma maneira de se converter os valores de um sistema para outro.