❧ Sistemas Analógicos e Digitais ❧

Introdução2.1

Para que você possa compreender o que são sistemas digitais e a diferença fundamental em relação aos sistemas analógicos, iniciaremos observando um dos dispositivos digitais mais influentes da história: o telégrafo. Este sistema eletromecânico não apenas revolucionou a comunicação à distância, mas também serviu de base para o surgimento da telefonia, da internet e de grande parte do que hoje entendemos como circuitos digitais.

O Telégrafo2.1.1

A estrutura do telégrafo consistia basicamente em uma bateria, uma chave de contato (que permanecia normalmente aberta, impedindo a passagem de corrente) e um longo cabo que se estendia até uma "matraca" eletromagnética na outra extremidade. Um detalhe técnico importante era a conexão dos terminais negativos da bateria a uma haste enterrada diretamente no chão para fechar o circuito de retorno. Conforme ilustrado no circuito que representa esse sistema na figura abaixo, quando você pressionava a chave, o circuito era completado, permitindo que a corrente da bateria fluísse pelo cabo.

No momento em que a corrente fluía, o campo eletromagnético gerado atraía uma placa de metal que produzia um "estalido". Essa placa permanecia em tal posição até que a chave fosse solta, interrompendo o circuito e permitindo que uma mola a retornasse à posição original, produzindo um "estalido" diferente. É fundamental que você note os dois estados do sistema: a chave e a matraca para baixo, ou a chave e a matraca para cima.

Para transmitir qualquer palavra ou número, o telégrafo utilizava dois símbolos distintos conhecidos como pulsos elétricos curtos e longos, que representam, respectivamente, os pontos e os traços do código Morse. Como veremos, isto descreve uma representação digital da informação. Uma ideia de como esse processo se parecia é fornecida no diagrama de tempo abaixo.

O diagrama mostra em qual estado (1 ou 0) o sistema está em qualquer momento e também registra o tempo exato em que uma mudança de estados ocorre. No caso do telégrafo, o comprimento do estado 1 indica se trata de um ponto (sinal alto curto) ou traço (sinal alto longo), enquanto o sinal baixo era usado para espaçar os traços e pontos. Embora este diagrama utilize apenas um sinal, ele é muito utilizado para demonstrar mais de um sinal e suas transições compartilhando o mesmo eixo de tempo, permitindo ver como um sinal afeta o outro em sistemas digitais.

Definição de Sistemas2.2

Um sistema digital é uma combinação de dispositivos projetados para manipular informação lógica ou quantidades físicas representadas no formato digital, o que significa que as quantidades podem assumir apenas valores discretos. Esses dispositivos são, na maioria das vezes, eletrônicos, mas podem ser também mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. Alguns dos sistemas digitais mais conhecidos são os computadores, as calculadoras, os equipamentos de áudio e vídeo e os sistemas de telecomunicações.

Em contrapartida, um sistema analógico contém dispositivos que manipulam quantidades físicas representadas na forma analógica. Em um sistema analógico, as quantidades físicas podem variar ao longo de uma faixa contínua de valores. Como exemplo, a amplitude do sinal de saída de um alto-falante em um receptor de rádio pode apresentar qualquer valor entre zero e o seu limite máximo.

Representação Numérica2.3

Representações Analógicas2.3.1

Na representação analógica, uma quantidade é representada por um indicador proporcional continuamente variável. Conforme você pode observar na figura, um exemplo disso é o velocímetro de um automóvel antigo, no qual a deflexão do ponteiro é proporcional à sua velocidade. A posição angular do ponteiro apresenta o valor da velocidade e o seu movimento segue as alterações de forma fluida.

Outro exemplo clássico é o termômetro de mercúrio (ou álcool) que consiste em uma cápsula de vidro com a substância reagindo ao calor corporal e dilatando o líquido, marcando a temperatura pela nova posição alcançada.

Note que, em ambos os casos, as quantidades físicas estão sendo associadas a um indicador por meios puramente mecânicos. Nos sistemas analógicos elétricos, a quantidade física medida é convertida para uma tensão ou corrente proporcional à informação, como ocorre com o som captado por um microfone e passado para um amplificador. Todas as quantidades analógicas possuem a característica fundamental de variar ao longo de uma faixa contínua de valores, podendo assumir qualquer valor decimal, como 1mV, 2,3724 mV ou 9,99999 mV.

Representações Digitais2.3.2

Nas representações digitais, as quantidades não são representadas por valores proporcionais, mas por símbolos denominados dígitos. Considere o exemplo de um relógio digital, que apresenta a hora do dia na forma de dígitos decimais para horas e minutos. Como sabemos, o tempo varia de modo contínuo, entretanto, o que lemos no relógio digital não varia continuamente; ao contrário, ele varia em saltos ou degraus de um em um minuto (ou segundo). Essa representação do tempo é, portanto, discreta quando comparada à representação fornecida por um relógio analógico de ponteiros.

Assim, pode-se dizer que a maior diferença entre quantidades analógicas e digitais é:

$$\begin{split} \text{Analógica } &\equiv \text{ contínua} \\[6pt] \text{Digital } &\equiv \text{ discreta (passo a passo)} \end{split}$$

Devido a essa natureza discreta, não há ambiguidade quando se faz a leitura de uma quantidade digital, ao passo que o valor de uma quantidade analógica apresenta, muitas vezes, uma interpretação livre. Na prática, quando medimos uma quantidade analógica, sempre "arredondamos" para um nível conveniente de precisão, o que significa que digitalizamos a quantidade para lhe atribuir um valor legível.

Vantagens das Técnicas Digitais2.4

Um número cada vez maior de aplicações utiliza técnicas digitais para implementar funções antes realizadas por métodos analógicos. Os principais motivos para essa migração são:

• Facilidade de projeto: Os circuitos digitais são circuitos de chaveamento, nos quais não importam os valores exatos de tensão ou corrente, mas apenas a faixa (ALTA ou BAIXA) na qual eles se encontram.
• Armazenamento de informação: Dispositivos especiais podem guardar informações digitais pelo tempo necessário, permitindo que bilhões de bits sejam armazenados em espaços físicos reduzidos, o que é extremamente limitado em sistemas analógicos.
• Precisão e exatidão: Uma vez que o sinal é digitalizado, a informação não se deteriora ao ser processada, enquanto em sistemas analógicos os valores tendem a ser distorcidos por temperatura, umidade e tolerância de componentes.
• Programação de operações: É muito simples projetar um sistema digital cuja operação seja controlada por um conjunto de instruções armazenadas (programa), oferecendo uma complexidade muito superior à dos sistemas analógicos.
• Imunidade ao ruído: Flutuações espúrias na tensão (ruído) não são críticas, desde que a amplitude não dificulte a distinção entre os níveis ALTO (H) e BAIXO (L).
• Integração de circuitos: Chips digitais podem conter uma densidade muito maior de dispositivos internos, pois utilizam componentes que podem ser integrados de forma econômica, permitindo um alto grau de miniaturização.

Limitações e a Interface com o Mundo Real2.5

Existem poucas desvantagens no uso de técnicas digitais, sendo as principais o fato de o mundo real ser inerentemente analógico e o processamento digital demandar tempo. Grandezas como temperatura, pressão, velocidade e vazão variam continuamente. Para obter as vantagens digitais ao lidar com essas entradas e saídas, você deve seguir quatro passos essenciais:

1. Converter a variável física em um sinal elétrico analógico.
2. Converter as entradas elétricas analógicas do mundo real para o formato digital.
3. Realizar o processamento ou operação da informação digital.
4. Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico (formato do mundo real).

Para ilustrar um sistema típico que utiliza esse método, a figura abaixo mostra um sistema de controle de temperatura.

Neste exemplo, você utiliza botões para fixar a temperatura desejada em incrementos digitais. Um sensor no ambiente aquecido converte a temperatura real em uma tensão proporcional, que é transformada em uma quantidade digital por um conversor analógico-digital (ADC). Esse valor é comparado ao desejado para determinar o calor necessário, e o resultado digital é convertido novamente em uma tensão analógica por um conversor digital-analógico (DAC), que aciona o dispositivo de aquecimento.

Questões2.6

1. Explique a diferença fundamental entre uma grandeza contínua e uma grandeza discreta, utilizando os exemplos do velocímetro analógico e do relógio digital para ilustrar sua resposta.
   
   
2. Os sistemas digitais são frequentemente citados como mais fáceis de projetar e mais imunes a ruídos. Explique como o conceito de "faixas de tensão" (HIGH e LOW) contribui para essas duas vantagens específicas.
   
   
3. No texto vimos que "o mundo real é analógico". Diante disso, quais são os quatro passos essenciais que um sistema deve seguir para processar uma informação física, como a temperatura, usando tecnologia digital?

Próximos passos2.7

No próximo capítulo, Sistemas de Numeração, veremos como trabalhar com sistemas numéricos específicos para esta disciplina. Aprenderemos como cada sistema é utilizado e em quais cenários podem ser mais úteis.