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Laboratório de Sistemas Digitais I Apostila 2013.1 Professores Renato Lopes Leonardo Aguayo Wellington Amaral UnB - FGA Abril de 2013

Apostila Labsd1 Full 20131

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Laboratório de

Sistemas Digitais I

Apostila 2013.1

Professores

Renato LopesLeonardo AguayoWellington Amaral

UnB - FGAAbril de 2013

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Conteúdo

I Apresentação e Regras Gerais 5

1 Uso do Laboratório e Normas de Documentação 71.1 Considerações Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Normas para Elaboração de Pré-relatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Normas para Elaboração de Relatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4 Regras de Uso do Laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Familiarização com a Bancada 152.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Parte Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Material para Montagem de Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5 Chaves (ou switches) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

II Experimentos 23

1 Caracterização de Portas Lógicas 251.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2 Portas Lógicas e Circuitos Integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2 Circuitos Lógicos Combinacionais 452.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.2 Circuitos Lógicos Combinacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3 Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.4 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.5 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3 Circuitos Somadores e Subtratores 553.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2 Circuitos Aritméticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4 Circuitos Codificadores e Decodificadores 63

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4.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2 Circuitos conversores de códigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5 Circuitos Multiplexadores e Demultiplexadores 695.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.2 Circuitos Multiplexadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6 Flip-Flops 776.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2 Circuitos Lógicos Seqüenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7 Circuitos Contadores Síncronos e Assíncronos 837.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.2 Circuitos Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

IIIProjetos Finais 91

I Regras Gerais 93I.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93I.2 Sobre os Temas de Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94I.3 Documentos Esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

1 ULA 971.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.3 Exemplos de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981.4 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

2 Gerador de Onda Quadrada Programável 1012.1 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.2 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3 Testador de CIs 1033.1 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.2 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4 Controle de Motor de Passo 1054.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

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CONTEÚDO

4.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5 Freqüencímetro 1095.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6 Verificador de Senhas 1136.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Bibliografia 117

IV Anexos 119

A Pinagem de CIs 74’xxx 121

B Depurando Circuitos 135B.1 Considerações Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135B.2 O Processo de Depuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

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Parte I

Apresentação e Regras Gerais

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1USO DO LABORATÓRIO E NORMAS

DE DOCUMENTAÇÃO

1.1 Considerações Gerais

O laboratório é um complemento essencial das aulas teóricas. Assim, os experimen-tos estarão sincronizados, na medida do possível, com os tópicos vistos previamenteem sala de aula. Os roteiros dos experimentos estarão disponíveis na plataformaMoodle uma semana antes da realização da prática, com o intuito de permitir aconclusão das tarefas solicitadas.

Os experimentos serão realizados por uma dupla que permanecerá a mesma du-rante todo o semestre. Caso haja desistência ou trancamento da disciplina por umaluno da dupla, haverá uma reordenação de dupla (caso dois alunos se encontremna mesma situação), ou o aluno continuará a realizar os experimentos só. Nãoserá permitida a formação de trios.

Para a realização dos experimentos, os alunos deverão apresentar um pré-relatóriocorrespondente à prática que será realizada. No início de uma aula típica, os alu-nos entregarão ao professor dois documentos: (I) o pré-relatório correspondente aoexperimento do dia e (II) o relatório do experimento anterior.

A dupla que não apresentar o pré-relatório - ou apresentá-loincompleto - não poderá realizar o experimento, obtendo

consequentemente nota zero na pratica em questão. Neste caso nãohaverá reposição do experimento

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1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO

1.1.1 Localização e Disponibilidade

O laboratório usado para os experimentos está localizado no prédio da UED, nopiso térreo. O laboratório pode ser utilizado pelos alunos em outros horários quenão sejam o da aula, desde que:

• Não haja outra aula no horário pretendido;

• Seja preenchido o formulário de agendamento com o técnico;

• Tenha a presença de um monitor da disciplina para acompanhar as ativida-des.

Sem horário agendado o aluno não poderá utilizar as dependênciasdo laboratório

A dupla terá à disposição todo material necessário para a realização dos experimen-tos, incluindo a protoboard e os CIs.

1.2 Normas para Elaboração de Pré-relatórios

O tempo de aula em laboratório é um tempo que não deve ser desperdiçado. É achance que o aluno tem de enfrentar dificuldades inesperadas, aprimorar as habili-dades de depuração e uso do raciocínio lógico para resolver problemas na presençado professor.

É de grande importância, portanto, o planejamento prévio e a utilização de umadocumentação adequada. O pré-relatório é um documento direcionado para a exe-cução do experimento. Em geral, no pré-relatório o aluno deverá realizar simu-lações dos circuitos presentes no experimento e responder questões referentes àpratica a ser realizada.

O pré-relatório é por dupla e de formato livre. Entretanto, deve ser entreguegrampeado e conter:

1. Cabeçalho com identificação completa do documento, contendo:

• Nome e código da disciplina;

• Número e título do experimento;

• Turma de laboratório;

• Nome, assinatura e matrícula do autor;

• Local e data.

2. Respostas às perguntas do roteiro, devidamente identificadas;

3. Tabelas e diagramas devidamente identificados, incluindo as tabelas de co-nexão;

4. Diagramas esquemáticos dos circuitos simulados, seguindo as mesmas nor-mas dos especificados para o relatório.

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1.3. Normas para Elaboração de Relatórios

1.3 Normas para Elaboração de Relatórios

As normas a seguir são válidas para relatórios, sejam eles escritos à mão ou emformato digital.

1.3.1 Estrutura do Relatório

O relatório é da dupla que realizou o experimento. O mesmo deve ser entreguegrampeado, com todas as páginas numeradas. Figuras, gráficos e tabelas devem tertítulo e numeração. Exemplo: “Figura 2.1 - Diagrama lógico do circuito somador”.O relatório deve ter a seguinte estrutura:

1. Capa, contendo:

• Nome e código da disciplina;

• Número e título do experimento;

• Turma de laboratório;

• Nome, assinatura e matrícula dos autores;

• Local e data.

2. Sumário, apresentando as partes constituintes do relatório com as respecti-vas paginações.

3. Introdução, indicando a delimitação do tema, apresentando a justificativadescrevendo o propósito do relatório.

4. Objetivos

• Objetivo geral, mostrando a finalidade do trabalho e apresentando umavisão geral do tema em estudo.

• Objetivos específicos, apresentando detalhadamente o que se espera ob-ter do experimento.

5. Parte Experimental , contendo no mínimo os seguintes itens:

• Materiais utilizados (componentes, equipamentos e bancada usada);

• Procedimento experimental: descrever a(s) metodologia(s) empregada(s)durante a realização a prática. Exemplo: “Realizou-se o procedimentode acordo com o item 3.2.1 do roteiro, com as seguintes etapas:

– Montou-se o circuito da Prancha 01 na protoboard, utilizando-se alista de conexões das Tabelas 3 a 5. Como não se testaram as cone-xões durante o processo de montagem, nada funcionou.

– Percebeu-se que a fonte DC estava desligada. Em seguida, ligou-sea fonte, porém não verificou-se o nível de tensão na saída do equipa-mento. Como a mesma se encontrava em 30 V e já estava conectadaà protoboard, isto causou a queima de todos os CIs.

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1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO

– Após trocar todos os CIs e ajustar a tensão da fonte em 5 V, o circuitopassou a funcionar, porém de maneira incorreta, pois o LED1 sem-pre se encontrava aceso independentemente do posicionamento daschaves CH1 e CH2.

– Detectou-se que um dos CIs, o 74LS04, não se encontrava aterrado.Após realizar a conexão do pino 07 com a linha de terra na protobo-

ard, o circuito passou a funcionar corretamente.”

• Resultados obtidos: fazer uma descrição detalhada dos resultados en-contrados em forma de figuras, gráficos e tabelas.

6. Discussão sobre os resultados encontrados, comentando detalhadamenteas medições realizadas e dando a devida interpretação destas, informando seos objetivos da experimento foram alcançados. Esta é uma das partes maisimportantes do relatório: aqui, há oportunidade para expressar os conheci-mentos adquiridos na prática e fazer a interrelação com os fundamentos teó-ricos.

7. Conclusões, mostrando os êxitos e eventuais problemas encontrados na rea-lização do experimento, indicando as limitações, apresentando recomendaçõese/ou sugestões.

8. Referencias Bibliográficas, relacionadas e citadas de acordo com as nor-mas da ABNT.

9. Tabelas de Conexão.

Todos os dispositivos usados devem ter suas posições na protoboard anotadas,assim como as conexões realizadas. Para agilizar o trabalho de montagem,sugerimos fortemente que os alunos criem previamente tabelas com um des-critivo das conexões que serão realizadas. Para circuitos simples, a práticapode parecer desnecessária; porém, a complexidade dos circuitos aumenta aolongo do curso e a organização e presteza durante a montagem tornam-seessenciais.

Por exemplo, suponha que o circuito montado em sala seja o da Figura 1.1.Neste circuito hipotético, há três componentes (74LS00, 74LS04 e LED1),portanto há três tabelas de conexão. Cada uma tem tantas linhas quantoo número de pinos do componente. Um exemplo está na Tabela 1.1.

Deve-se observar que as tabelas de conexão devem estar coerentes com osdiagramas esquemáticos dos circuitos.

10. Diagramas Esquemáticos.

Todos os diagramas devem ser inseridos ao final do relatório em pági-nas separadas do texto, indicando a identificação do circuito, autor, revisor,versão e datas relevantes.

Para o tamanho dos diagramas, há apenas duas opções: dois diagramaspor página (orientação retrato, para circuitos mais simples) ou um único dia-grama por página (orientação paisagem, para circuitos mais complexos).

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1.3. Normas para Elaboração de Relatórios

Os diagramas devem conter a pinagem e identificação de todos os componen-tes, como mostrado na Figura 1.2.

74LS00 - Posição A1

De pino Para

... ...P03 B2.74LS04.P01... ...

P07 GND... ...

P14 Vcc

Tabela 1.1: Exemplo de tabela de conexão.

Figura 1.1: Exemplo de montagem na protoboard.

Cabe aqui listar alguns princípios orientadores para desenhar diagramas es-quemáticos:

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1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO

74LS00

74LS00

74LS00

74LS00

74LS32

74LS04

74LS32

74LS86

74LS86

LED 1

LED 2

LED 3

LED 4

PULSO

R1 = 100KΩ

R2 = 100KΩ

R3 = 100KΩ

R4 = 100KΩ

VCC

VCC

VCC

VCC

GND

GND

GND

GND

CH4

CH3

CH2

CH1

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4

56

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UnB-FGA

LAB SD1

PRANCHA 01

Circuito acendedor de LEDs

Versão

1.0

Data

31/01/2010

Elaborado por

Revisado por

Fulano

Beltrano

Figura 1.2: Exemplo de diagrama esquemático.

• O esquemático não deve ser ambíguo. Assim, todos os pinos, valores decomponentes, polaridades, etc., devem ser explicitados para evitar confu-são.

• As diferentes funções desempenhadas pelo circuito devem se localizarem regiões distintas. Use este princípio sempre, mesmo que ao custode deixar algumas áreas em branco para separar visualmente os gruposfuncionais. Se necessário, divida o seu projeto em mais de um esquemá-tico. Use uma seta (por exemplo ) para indicar sinais que vão de umdiagrama a outro.

• Use um ponto para indicar conexões entre fios.

• Sempre que possível, alinhe os componentes na horizontal ou vertical.

• Coloque a pinagem dos CIs sempre do lado de fora do símbolo.

IMPORTANTE

• Não será admitido plágio de qualquer espécie. Caso detectado, será punidocom nota zero.

• O prazo de entrega do relatório é de uma semana a partir da data darealização do experimento.

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1.4. Regras de Uso do Laboratório

1.4 Regras de Uso do Laboratório

As regras a seguir têm como objetivo minimizar o risco de acidentes. Leve-as asério. A circulação de uma corrente elétrica de 100mA pelo seu tórax pode causardesfibrilação e ser fatal.

1.4.1 Ao entrar em sala

1. Guarde sua mochila no armário. Leve para a bancada apenas o necessáriopara realizar o experimento. Seu notebook, tablet ou smartphone não sãoessenciais.

2. Não use saia, bermuda ou calçados abertos, principalmente chinelos. Vápara o laboratório usando calçados com sola de material isolante.

1.4.2 Durante o experimento

1. É expressamente proibido o consumo de comida e bebida. Em hipótesealguma deixe estes itens sobre a bancada.

2. Não use anéis, pulseiras e brincos com pingentes ou argolas.

3. Caso tenha cabelos compridos, mantenha-os amarrados.

4. Evite o uso de lentes de contato.

5. Mantenha as mãos sempre limpas e secas.

6. Antes de energizar o circuito, verifique se as conexões entre os elementos nãocontém curtos-circuitos.

7. Evite ao máximo manusear circuitos energizados.

8. Desconecte a fonte de tensão ao realizar quaisquer modificações nos circuitos.

9. Caso sinta cheiro de queimado ou se perceber qualquer sinal de fumaça, des-ligue imediatamente os interruptores da bancada.

10. Não obstrua os interruptores com qualquer tipo de objeto. O acesso aos mes-mos deve ser rápido em caso de emergência.

Os alunos não devem pedir ajuda ou tirar dúvidas sobre a montagemdo experimento com os técnicos do laboratório

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1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO

1.4.3 Ao terminar o experimento

1. Desligue todos os equipamentos usados.

2. Desligue os interruptores da bancada.

3. Desmonte o circuito e devolva os componentes, caso use a protoboard do labo-ratório.

4. Deixe a bancada perfeitamente limpa e organizada.

Os alunos que deixarem as bancadas desorganizadasperderão pontos na nota final do experimento

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2FAMILIARIZAÇÃO COM A BANCADA

2.1 Objetivos

Neste experimento, apresentam-se os conceitos básicos sobre material e equipa-mentos de bancada do Laboratório de Sistemas Digitais I.

2.2 Parte Experimental

Havendo qualquer dúvida ao realizar qualquer procedimento, chame o professor ouo monitor. Esteja seguro das ações que for realizar.

2.2.1 A bancada

Como regra geral, uma bancada comporta apenas dois alunos. Apenas em casosexcepcionais (por exemplo, falha de algum equipamento essencial) será permitidoque três alunos ocupem o mesmo espaço. Cada bancada possui os seguintes equi-pamentos, que devem estar conectados às tomadas:

• 1 Osciloscópio BK Precision modelo 2530;

• 1 Gerador de funções iCEL modelo GV-2002;

• 1 Fonte de tensão Minipa modelo MPL-1303;

• 1 Fonte de tensão Minipa modelo MPL-3305M.

Identifique cada um destes equipamentos, assim como os alicates, extrator de CIse os repositórios para fios. A bancada possui dois interruptores, um referente àtensão de 110 VAC e outro para a de 220 VAC . Ao ligar cada interruptor, uma luzde aviso acenderá, indicando que a linha de tensão correspondente está disponívelpara energizar os equipamentos.

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2. FAMILIARIZAÇÃO COM A BANCADA

Atividade 1

• Ligue e desligue os interruptores de sua bancada. Informe o professor caso aluz de aviso não acenda.

• Ligue novamente os interruptores e, em seguida, todos os equipamentos dabancada. Caso encontre algum equipamento desconectado ou sem indicaçãode energização, avise o professor ou o monitor.

2.3 Equipamentos

Em caso de dúvidas, pergunte ao professor ou ao monitor.

2.3.1 Multímetro

O multímetro será o seu principal equipamento para inspecionar o funcionamentodo circuito. Manuseie-o corretamente e com cuidado. Como qualquer equipamentode laboratório, deve ser operado corretamente sob risco de danificá-lo ou mesmoinutilizá-lo.

Figura 2.1: Multímetro digital

Atividade 2

• Ligue o multímetro. Em sequência, de acordo com as instruções do profes-sor, selecione as diversas funções do equipamento (medida de tensão DC, AC,resistência, teste de LED, medida de corrente).

• Desligue o multímetro.

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2.3. Equipamentos

2.3.2 Fontes de tensão DC

Este é o equipamento que fornecerá energia para os circuitos projetados. As fontesdisponíveis no laboratório têm pelo menos dois terminais com cores distintas: umpreto, usado para o nó terra; e outro vermelho, usado para a tensão de alimentaçãodos CIs ou VCC .

Figura 2.2: Fontes da bancada: MPL-1303 e MPL-3305M.

Atividade 3

• Ligue a fonte de tensão MPL-1303. Ajuste o nível de tensão para 5.0VDC .Usando o multímetro, selecione a função adequada e meça o valor entre osterminais preto e vermelho.

• Repita o procedimento para a fonte de tensão MLP-3305M.

2.3.3 Gerador de Funções

Este equipamento tem como função fornecer tensões variantes no tempo, de acordocom uma função pré-definida. Notem a terminação BNC.

Figura 2.3: Gerador de funções GV-2002.

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2. FAMILIARIZAÇÃO COM A BANCADA

2.3.4 Osciloscópio

Este equipamento permite visualizar formas de onda de tensão em um circuito.Para entender seu funcionamento e aprender como conectá-lo, realize a seguinteatividade.

Figura 2.4: Osciloscópio BK 2530.

Atividade 4

• Siga as orientações do professor para conectar a ponta de prova do osciloscópiono cabo BNC-jacaré.

• Em seguida, visualize as formas de onda quadrada, senoidal e triangular nafrequência de 10 KHz e amplitude de 5VPP (pico a pico).

• Repita para 100 KHz e 3VPP .

2.4 Material para Montagem de Circuitos

2.4.1 Protoboard ou matriz de contato

A protoboard nada mais é do que um pequeno painel que permite realizar cone-xões elétricas entre componentes por intermédio de fios (tipicamente 22 AWG a 24AWG). Recomendamos que cada dupla adquira uma protoboard, de modo a apro-veitar melhor o tempo de aula.

A protoboard é composta por faixas de pontos de conexão, existindo tipicamentedois tipos de faixas. O primeiro é chamado faixa tipo soquete. Neste tipo de soquete,grupos de 5 furos são conectados eletricamente por contatos internos. Entre dois

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2.4. Material para Montagem de Circuitos

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b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

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b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

b

Figura 2.5: Conexões na protoboard.

grupos de 5 furos há um espaçamento maior destinado a permitir a inserção de CIsna protoboard, como mostrado na Figure 2.5.

O segundo tipo de faixa é chamada de faixa tipo alimentação. Neste caso, gruposmaiores de pinos estão conectados eletricamente, permitindo facilitar a distribui-ção de sinais comuns, tais como tensão de alimentação e terra.

Atividade 5

• Identifique as faixas da protoboard em sua bancada.

• Com o multímetro na função de ohmímetro, verifique o isolamento (ou curto)nos furos das faixas de soquete e de alimentação. Use dois jumpers parafacilitar o processo.

2.4.2 Cabos e fios

Os fios usados para conexão na protoboard estão disponíveis nas caixas das banca-das. Antes de utilizá-los, verifique se:

• Estão desencapados nas extremidades. As pontas devem ser de comprimentotal que, ao encaixar o fio na protoboard, a ponta desencapada não fique ex-posta.

• Os fios não estão quebrados. Em caso de suspeita, faça o teste com o multíme-tro.

Ao utilizar os fios, não use fios longos para conexões entre componentes que estãopróximos. Use o bom senso. Não deixe os fios muito esticados, pois a tendênciaé que eles escapem nos furos. Caso adquire em uma loja, recomenda-se comprar’jumpers’ (do tipo macho) de vários tamanhos.

Os cabos são usados para conectar os equipamentos de bancada entre si ou àprotoboard. Use cabos vermelhos para o terminal positivo da fonte de tensão e ospretos para o terminal negativo ou terra. Havendo cabos verdes, use-os especifica-mente para conexões no terminal terra (GND) dos equipamento.

19

Page 22: Apostila Labsd1 Full 20131

2. FAMILIARIZAÇÃO COM A BANCADA

O multímetro e o osciloscópio possuem cabos de conexão especiais chamados depontas de prova. Em particular, as pontas de prova de osciloscópio são parteessencial do equipamento e devem ser manuseadas com cuidado.

As terminações dos cabos disponíveis são de 4 tipos:

• Banana - para conexões às fontes de alimentação ou à protoboard;

• Jacaré - para conexões às fontes de alimentação ou à protoboard;

• BNC - para conexões ao osciloscópio ou ao gerador de funções;

• Pin - para conexões à protoboard.

Há cabos com terminações diferentes: BNC-banana, banana-pin, banana-jacaré,etc. Use o adequado para cada caso. Quando uma das terminações é BNC e a outranão, sempre haverá uma terminação com terminação preta. A ponta de cor pretadeve estar conectada ao terra do circuito.

Atividade 6

• Identifique os cabos disponíveis em sua bancada. Sem ligar qualquer equipa-mento, conecte à protoboard uma das fontes de alimentação. Verifique se hámais de uma opção de terminação de cabo para tanto.

2.4.3 Resistores

Neste laboratório, os resistores serão utilizados exclusivamente com um único pro-pósito: limitar o nível de corrente nos diodos LED. Em sua bancada, deve haveruma tabela de código de cores para resistores.

Atividade 7

• Selecione dois resistores e tome os valores usando o código de cores.

• Confira o valor lido com a medição no multímetro.

• Em seguida, conecte-os nas associações série e em paralelo na protoboard.Meça a resistência de cada associação com o multímetro.

2.4.4 Diodos (LEDs)

Os LEDs utilizados no laboratório têm como função representar visualmente umnível lógico. O LED é um dispositivo com dois terminais, denominados anodo (A) ecatodo (K).

Para que o LED conduza corrente (e neste caso emita luz), a tensão entre osterminais deve ser tal que o anodo esteja em uma tensão positiva VT com relaçãoao catodo, em torno de 2 V. Fisicamente, o terminal K pode ser identificado por umpequeno chanfro no encapsulamento. Outra forma de identificar a polaridade doLED é pelo tamanho do terminal A, que tem comprimento maior.

20

Page 23: Apostila Labsd1 Full 20131

2.5. Chaves (ou switches)

LEDi AK

VAK

A K

VAKVT

i AK

Figura 2.6: Diodo - representação e curva característica simplificada.

Atividade 8

• Teste o funcionamento do LED com o multímetro.

2.4.5 CIs

Em aulas posteriores detalharemos as características dos CIs usados neste curso.Por hora, basta saber que, na protoboard, a configuração das faixas do tipo soquetee o espaçamento dos furos permite a inserção exata dos CIs.

Atividade 9

• Insira um CI na protoboard. Verifique o encaixe e em seguida retire-o com oextrator.

2.5 Chaves (ou switches)

As chaves utilizadas são de três terminais, que funcionam como seletores. No ter-minal central, a tensão correspondente é a selecionada pela posição do botão.

VCC

Para o circuito

GND

Figura 2.7: Chave de três pinos.

21

Page 24: Apostila Labsd1 Full 20131

2. FAMILIARIZAÇÃO COM A BANCADA

Atividade 10

• Ajuste a fonte de tensão para 5VDC .

• Confirme a medição com o multímetro.

• Insira uma chave na protoboard, de modo que seus três pinos não estejam emcurto-circuito.

• Desligue a fonte e a conecte à protoboard.

• Conecte um dos terminais externos da chave à tensão de 5V e o outro terminalexterno à tensão de 0V.

• Conecte em série ao terminal central um resistor de 1KΩ e um LED.

• Ligue a fonte. Com o multímetro, meça a tensão no terminal central, comrelação ao terra. Verifique se o LED acendeu.

• Meça a tensão no LED e no resistor. Verifique a Lei das Tensões de Kirchoff.

Atividade 11 (havendo tempo)

• Ajuste a fonte de tensão para 2.0VDC .

• Ajuste o gerador de funções para onda senoidal, com 2.0VPP , frequência deaproximadamente 1 Hz.

• Monte o circuito da figura abaixo, com a fonte e o gerador desligados.

2.0VDC

4.0VPP

1.0KΩ

LED

• Ligue a fonte.

• Ligue o gerador.

• Observe no osciloscópio a forma de onda no LED.

22

Page 25: Apostila Labsd1 Full 20131

Parte II

Experimentos

23

Page 26: Apostila Labsd1 Full 20131
Page 27: Apostila Labsd1 Full 20131

EX

PE

RI

ME

NT

O

1CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS

LÓGICAS

1.1 Objetivos

Apresentar circuitos integrados das famílias TTL e CMOS e realizar estudos paradeterminar suas características básicas (estáticas e dinâmicas), como por exemplo,a curva de transferência de tensão, tempos de subida, descida e atrasos de propa-gação.

1.2 Portas Lógicas e Circuitos Integrados

1.2.1 Introdução

A tecnologia de integração de componentes eletrônicos em uma única pastilha desilício permite a fabricação dos chamados circuitos integrados ou CIs. CIs digi-tais são simplesmente uma coleção de componentes discretos (tais como resistores,capacitores, diodos e transistores) fabricados em um substrato de material semi-condutor, conhecido como pastilha ou chip. No contexto de sistemas digitais, ointeresse principal é a implementação, na forma de circuitos, das funções boolea-nas.

Para implementar funções booleanas de complexidade simples ou moderada,dispomos de CIs que realizam funções elementares, tais como AND, NAND, OR,NOR, NOT e XOR. Estes CIs podem ser interpretados como blocos funcionais,possibilitando ao projetista trabalhar com o nível de abstração correspondente aochamado de portas lógicas. Como exemplo, na Figura 1.1 apresenta-se a imple-mentação de uma porta inversora (NOT) usando componentes discretos.

Nota-se que a simples montagem deste circuito requer 4 resistores, 4 transisto-res e 2 diodos - ou 10 elementos de circuito. Porém, quando utilizamos um CI do

25

Page 28: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

R1 3.6KΩ R2 1.6KΩ R4 115Ω

Q4

D2

Q3

Q2Q1

R3 1KΩ

D1

Vcc (14)

IN (1)

OUT (2)

GND (7)

Figura 1.1: Implementação de uma porta inversora usando lógica TTL.

tipo 7404 dispomos de seis portas NOT e tipicamente não precisamos nos preocu-par em como o CI implementou a função NOT1. O que pode nos interessar é se aimplementação realizada com este CI satisfaz nossos critérios de projeto, tais comofrequência de operação e níveis de tensão dos sinais de entradas e saída.

1.2.2 Classificação de CIs

Uma das maneiras de se classificar CIs é pela quantidade de portas lógicas imple-mentadas no substrato semicondutor, como mostrado na Tabela 1.1. Esta é umamedida da complexidade funcional e de fabricação. Como exemplo, as funções bo-oleanas elementares AND, OR, NOT, NAND e NOR encontram-se implementadasem CIs de pequena escala de integração, ou circuitos do tipo SSI.

Tabela 1.1: Classificação de CIs pelo número de portas lógicas.

SIGLA SIGNIFICADO NÚMERO DE PORTAS LÓGICAS

SSI Small-scale Integration Menor que 12

MSI Medium-scale Integration 12 a 99

LSI Large-scale Integration 100 a 9.999

VLSI Large-scale Integration 10.000 a 99.999

ULSI Ultra large-scale Integration 100.000 ou mais

Uma segunda maneira de se classificar CIs é em analógicos, digitais e mistos(‘mixed signal’). Na categoria digital, encontram-se: as portas lógicas, os flip-flops,os multiplexadores, os microprocessadores, os microcontroladores, os DSPs (‘digital

1Porém, quando formos projetar o CI é claro que este ponto é fundamental.

26

Page 29: Apostila Labsd1 Full 20131

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados

signal processors’), dentre outros. Esses CIs contêm circuitos formados por resisto-res, diodos e transitores miniaturizados, diferenciando-se dos circuitos integradosditos analógicos pelo fato de que nos digitais os transistores só possuem dois modosestáveis de operação (corte e saturação), ficando muito pouco tempo nas regiões detransição. Portanto, idealmente, é dito que os transistores operam como chaves.

Os CIs analógicos são tipicamente sensores, circuitos de potência, amplificado-res operacionais (Amp-Ops), misturadores (‘mixers’) e filtros. Os mistos têm comorepresentante clássico os conversores de sinal A/D (analógico-para-digital) e D/A(digital-para-analógico).

A terceira maneira comum de classificação, também chamada de família, refere-se ao tipo de tecnologia de fabricação do CI. Alguns exemplos de famílias são:

• RTL (Resistor Transistor Logic)

• RCTL (Resistor Capacitor Transistor Logic)

• DTL (Diode Transistor Logic)

• TTL (Transistor Logic)

• CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor)

• ECL (Emitter Coupled Logic)

Para cada família, há subfamílias com características específicas. Em particular,apresentamos a seguir as subfamílias TTL e CMOS.

1.2.2.1 Família TTL

A família TTL é dividida em dois grandes grupos: o primeiro, voltado para a versãocomercial (com prefixo de código 74) e o segundo, para a versão militar (prefixo 54).Os avanços nas técnicas de fabricação levaram a uma subdivisão dos CIs TTL emsubfamílias, tais como:

Tabela 1.2: Subfamílias TTL.

SUBFAMÍLIA PREFIXO OBSERVAÇÃO

Standard 54/74 Série padrão

Low Power 54L/74L Baixa potência

Schottky 54S/74S Rápido

Advanced Schottky 54AS/74AS Rápido

Low Power Schottky 54LS/74LS Baixa potência

Advanced Low Power Schottky 54ALS/74ALS Baixa Potência

Fast 54F/74F Rápido

27

Page 30: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

1.2.2.2 Família CMOS

Atualmente, a família de CIs mais usada é a CMOS, por ter baixo consumo depotência e boa imunidade a ruído. Assim como a família TTL, é dividida em sub-famílias: Notem que há CIs CMOS compatíveis com CIs TTL (mesma pinagem e

Tabela 1.3: Subfamílias CMOS.

SUBFAMÍLIA PREFIXO OBSERVAÇÃO

CMOS 74C Série padrão

High-speed CMOS 74HC Rápido

High-speed, TTL compatible 74HCT Compatível com TTL

Advanced CMOS 74AC Rápido

Advanced CMOS, TTL compatible 74ACT Compatível com TTL

Advanced High-speed CMOS 74AHC Rápido

Very High-speed CMOS 74VHC Rápido

Very High-speed CMOS TTL compa-

tible

74VHCT Compatível com TTL

Low-voltage CMOS 74LVC Baixa tensão de ali-mentação

Advanced Low-voltage CMOS 74ALVC Baixa tensão de ali-mentação

Advanced Ultra-low Power CMOS 74AUP Aplicações portáteis

Fast CMOS FCT Rápido

mesma função lógica), permitindo a interconexão entre as duas tecnologias.

1.2.3 Tipos de Encapsulamento de CIs

A pastilha de silício que contém o CI pode ser encapsulada (ou empacotada) de di-versas formas, de acordo com as necessidades mais comuns de confecção das placasde circuito impresso. A que será utilizada neste curso é chamada de encapsula-mento em linha dupla ou DIP (dual in-line package), na qual o CI tem duas filasde terminais paralelos.

Os terminais de um CI DIP podem ser identificados da seguinte forma: olhandoo circuito de cima, nota-se um pequeno chanfro em uma das extremidades entre ospinos, indicando a parte superior do CI. Por convenção, ao lado esquerdo do chanfroencontra-se o pino 1.

Em alguns CIs (com encapsulamento de plástico) há ainda um pequeno círculoao lado do pino 1. A numeração é feita em sentido anti-horário, como mostradona Figura 1.2. Para se determinar a função de cada um dos terminais deve-se

28

Page 31: Apostila Labsd1 Full 20131

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados

1 14

2 13

3 12

4 11

5 10

6 9

7 81

147

Figura 1.2: Encapsulamento DIP de 14 pinos: vista em perspectiva e superior.

analisar o data sheet do componente (ver seção 1.2.4), como exemplo a Figura 1.3mostra a identificação dos terminais do CI 74LS32 (CI com quatro portas OR deduas entradas). Observe nesta figura que os pinos 14 (VCC) e 7 (GND) devem serligados à fonte de alimentação nos terminais positivo e negativo, respectivamente.

VCC

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

GND

Figura 1.3: Identificação dos terminais do CI 74LS32 (vista superior).

O encapsulamento DIP é usado em CIs com número relativamente baixo depinos. Tipicamente, usa-se este encapsulamento para CIs de até 40 pinos.

Circuitos com um número maior de pinos, tais como os microprocessadores co-merciais atuais, exigem uma estratégia diferente, aproveitando todo o espaço pos-sível da cápsula para alocar os pinos. Assim, encontram-se disponíveis montagensde superfície quadradas, tais como BGA e QFP; outros tipos de encapsulamentocomuns para CIs encontram-se listados na Tabela 1.4.

Mais recentemente, o encapsulamento LGA (Land Grid Array), Figura 1.4, in-troduziu a novidade de se deixar os pinos no soquete onde o CI será inserido (por

29

Page 32: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

exemplo, na placa-mãe do computador), assim os CIs não utilizam pinos de contatoem sua parte inferior, mas sim pontos metálicos. Quando o CI é encaixado na placa-mãe, por exemplo, esses pontos ficam em contato com pinos existentes no soquete.Esse é um padrão atualmente usado nos processadores Core I7 da Intel.

Figura 1.4: Ilustração de um encapsulamento LGA. Observe que não há pinos,somente contatos metálicos.

Tabela 1.4: Algumas variantes de encapsulamento de CIs.

SIGLA SIGNIFICADO SIGLA SIGNIFICADO

BGA Ball Grid Array LQFP Low-profile Quad Flat Package

CDIP Ceramic DIP MDIP Molded DIP

CFP Ceramic Flat Pack PDIP Plastic DIP

CGA Column grid array PGA Pin Grid Array

CPGA Ceramic Pin Grid Array PLCC Plastic Leaded Chip Carrier

DIP Dual Inline Package SIP Single in-line Package

LCC Leadless Chip Carrier SOP Small Outline Package

LGA Land Grid Array ZIP Zig-zag in-line package

1.2.4 O ‘Data Sheet’

As informações importantes para o correto uso de um CI encontra-se em uma breveespecificação funcional (ou manual) chamada de ‘data sheet’. Cada fabricantedisponibiliza o data sheet correspondente ao produto manufaturado. Vale a penamencionar que, independentemente do fabricante, alguns parâmetros básicos sãosempre fornecidos e têm o mesmo nome, de modo a possibilitar ao projetista reali-zar a interconexão entre CIs de fornecedores diferentes.

30

Page 33: Apostila Labsd1 Full 20131

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados

O entendimento das características estáticas e dinâmicas que definem as capa-cidades e limitações de qualquer dispositivo lógico é vital para a obtenção de umprojeto consistente e confiável. Por exemplo, como já visto nas aulas teóricas, asinformações binárias são representadas por faixas de tensões e os valores típicosde tensões em um sistema digital é da forma mostrada na Figura 1.5.

Binário 1

Binário 0

Tensões Inválidas Não usado

0.0 V

0.8 V

2.0 V

5.0 V

Figura 1.5: Valores típicos de tensão em um sistema digital.

No entanto, na prática esses valores são ligeiramente diferentes dos mostra-dos, pois dependem de vários fatores como, por exemplo, a tecnologia de fabricaçãoutilizada, conforme pode ser visto na Figura 1.6.

Portanto, não subestime o valor do estudo detalhado dos manuais dofabricante. O bom entendimento dos parâmetros elétricos estáticos e dinâmicosdas pastilhas comerciais é de importância fundamental para a realização de umbom projeto.

0 V0.4 V0.8 V

2 V2.4 V

5 V

GNDVOL

VIL

VIH

VOH

VCC

0 V0.5 V

1.5 V

3.5 V

4.4 V

5 V

GNDVOL

VIL

VIH

VOH

VCC

0 - (5 V)

1 - (0 V)

ENTRADA

1 - (5 V)

0 - (0 V)

SAÍDA

tPHL tPLH

TTL 5 V CMOS 5 V

Figura 1.6: Alguns parâmetros de operação de CIs.

31

Page 34: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

Os parâmetros mais relevantes encontrados nos manuais dos CIs usados nestecurso estão explicitados na Tabela 1.5, com valores extraídos de um CI típico. Osvalores exatos devem ser analisados caso a caso, pois variam de acordo com a famí-lia do CI.

Tabela 1.5: Alguns parâmetros de operação de CIs.

Símbolo Parâmetro LimitesMínimo Típico Máximo Unid.

VCC Tensão de alimentação do CI 4,75 5,0 5,25 V

VIH Tensão mínima de entrada naporta interpretada como nívelAlto (High)

2,0 V

VIL Tensão máxima de entrada naporta interpretada como nívelBaixo (Low)

0,8 V

VOH Tensão mínima de saída naporta para nível Alto (High)

2,7 3,5 V

VOL Tensão máxima de saída naporta para nível Baixo (Low)

0,35 0,5 V

IIH Corrente máxima absorvidapela entrada em nível Alto(High)

20,0 mA

IIL Corrente máxima fornecidapela entrada em nível Baixo(Low)

0,1 mA

IOH Corrente máxima fornecidapela porta em nível lógico Alto(High)

-0,4 mA

IOL Corrente máxima absorvidapela saída em nível lógicoBaixo (Low)

8,0 mA

tPLH Atraso entrada-saída, de ní-vel Baixo para Alto (Low paraHigh)

8 15 ns

tPHL Atraso entrada-saída, de nívelAlto para Baixo (High paraLow)

10 20 ns

32

Page 35: Apostila Labsd1 Full 20131

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados

1.2.5 Parâmetros Elétricos Estáticos da Familia TTL

Os circuitos TTL da serie 74 foram projetados para operar com tensão de alimen-tação Vcc = 5,00V ± 5%, numa faixa de temperatura de 0C a 70C. Para 5,00V , a25C, cada porta TTL da serie 74 consome, em média, uma potência de 10 mW. To-dos os parâmetros apresentados no datasheet são garantidos pelos fabricantes doscircuitos integrados da série 74, se as limitações mencionadas forem obedecidas.

Conforme já mencionado, uma característica elétrica muito importante para ca-racterização do CI é sua curva de transferência de tensão. Esta é dada por umgráfico tensão da saída versus tensão de entrada. A Figura 1.7 apresenta um exem-plo de uma curva de transferência de um inversor.

VCC

Tensão de Saída (V)

Tensão de Entrada (V)

Nível 0

Nível 1

Vb Vx

Va

0

1

2

3

4

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Figura 1.7: Característica de transferência típica de uma porta TTL inversora.

Para tensões de entrada inferiores a Vb a saída apresenta uma tensão de saídaconstante igual a 4V (nível lógico UM). A partir de Vb, a saída começa a apresentaruma queda de tensão. Quando a tensão de entrada atinge Vx , a queda se tornamais acentuada, chegando a um nível mínimo em Va. A partir deste valor, a saídapermanece constante (nível lógico ZERO). Os valores típicos destas tensões são:Vb = 0,7V , Vx = 1,0V , Va = 1,3V , NÍVEL UM = 4,0V e NÍVEL ZERO = 0,3V .

A Figura 1.6 mostra os níveis de tensão garantidos pelos fabricantes. Vale apena observar que VOH deve ser maior do que VIH e que VOL deve ser menor doque VIL. A diferença entre estes valores fornecem as faixas de imunidade a ruídopara os níveis lógicos. Notem que a imunidade a ruído da tecnologia CMOS émaior do que a TTL, além do fato de que, na família CMOS, os níveis de tensãomencionados serem simétricos com relação aos níveis GND e VCC. Analisando-seesses valores de tensão, pode-se concluir que os circuitos TTL admitem, no piorcaso, uma margem de ruído CC de 0,4V .

Assim sendo, no pior caso, ao nível ZERO fornecido por uma saída TTL pode-sesomar um ruído de amplitude +0,4V , que o sinal resultante ainda é reconhecidocorretamente por uma entrada TTL; no nível UM fornecido por uma saída TTL,

33

Page 36: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

pode-se somar um ruído de amplitude −0,4V , que o sinal resultante ainda se en-contra dentro das especificações de entrada para nível UM. Para valores de tensãocompreendidos entre 0,8V e 2,0V , nada se garante com relação aos níveis lógicos[SM11a].

Além da compatibilidade entre os níveis de tensão requeridos pelas entradase fornecidos pelas saídas, também é necessário examinar os valores das correntesabsorvidas e fornecidas pelas entradas e saídas dos circuitos integrados, tanto emnível UM como em nível ZERO. A Tabela 1.6 apresenta os valores típicos encontra-dos.

Tabela 1.6: Níveis de corrente típicos para a série 74 da tecnologia TTL. Valoresobtidos de [SM11a]

PARÂMETRO DESCRIÇÃO VALOR

I I LCorrente máxima fornecida por

entrada em nível ZERO -1,6 mA

IOLCorrente máxima absorvida por

saída em nível ZERO+16 mA

I I HCorrente máxima absorvida por

entrada em nível UM+40 µA

IOHCorrente máxima fornecida por

saída em nível UM -400 µA

Analisando-se a tabela acima, conclui-se que uma saída TTL pode excitar até10 entradas da mesma família (fan-out). Outra especificação importante fornecidapelos fabricantes dos circuitos TTL diz respeito à máxima tensão que pode ser apli-cada às entradas. Para a série 74, é recomendado não se colocar níveis de tensãosuperiores a 5,5V , pois o circuito pode ser danificado se uma entrada receber umatensão superior a este valor.

Um outro ponto a se notar é que a IOL >> IOH . Desta forma, ao conectar um LEDna saída de um CI TTL, é preferível fazer com que ele seja aceso quando a saídafor para o nível lógico 0.

1.2.6 Parâmetros Elétricos Estáticos da Família CMOS

Circuitos integrados CMOS (MOS Complementar) são componentes que apresen-tam as mesmas funções lógicas disponíveis em componentes da família TTL, massão mais rápidos e consomem menos energia [TWM07]. Atualmente, representa atecnologia dominante no mercado de semicondutores, sendo empregado em proces-sadores, memórias e outros dispositivos. A curva de transferência de tensão de uminversor CMOS é apresentada a seguir, na Figura 1.8.

34

Page 37: Apostila Labsd1 Full 20131

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados

Inclinação = +1

Inclinação = -1VOH=VDD

00 VIL

VTH = VDD/2

VIH VDD

Nível 0 Nível 1

Tensão de Saída

Tensão de Entrada

Figura 1.8: Característica de transferência típica de uma porta CMOS inversora.

1.2.7 Parâmetros de Tempo

Existem determinadas condições indesejáveis de funcionamento de projetos de sis-temas digitais. O equacionamento lógico obtido para a implementação de um pro-jeto é uma ferramenta suficiente para a validação lógica do circuito, mas não levaem conta características físicas dos dispositivos, que podem alterar os resultadosteóricos esperados [SM11a]. Uma destas condições diz respeito aos parâmetros detempo em circuitos digitais, também chamados de parâmetros dinâmicos dos CIs .

A Figura 1.5 apresenta a interpretação de dois parâmetros importantes tPLH etPHL. Estes fornecem uma medida da frequência máxima de operação do circuito:quanto menores estes tempos, mais rápida é a transição entres os níveis lógicos,permitindo a utilização de sinais com frequência mais alta. O tempo de propagaçãode um CI é definido através da média aritmética dos tempos de propagação tPLH etPHL.

Além destes dois parâmetros existem mais alguns importantes [SM11a]:

• Tempo de Subida (“Rise time” - tr) - intervalo de tempo necessário para queum sinal vá de 10% do seu valor em tensão até 90% do seu valor em tensão(Figura 1.9).

• Tempo de Descida (“Fall time” - tf) - intervalo de tempo necessário para queum sinal vá de 90% de seu valor em tensão até 10% do seu valor em tensão(Figura 1.10).

• Tempo de Atraso (“Delay time” - td) - intervalo de tempo decorrido entreuma variação de sinal na entrada e a correspondente variação na saída; toma-se como referência o ponto de 50% do valor de tensão, conforme mostrado naFigura 1.11.

As características acima citadas, aliadas a fatores tais como, o não sincronismode eventos, podem levar à geração de sinais indesejáveis em projetos aparente-

35

Page 38: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

tr

∆V

0,1 ∆V

0,9 ∆V

Figura 1.9: Caracterização do tempo de subida.

tf

∆V

0,1 ∆V

0,9 ∆V

Figura 1.10: Caracterização do tempo de descida.

Entrada

Saída

Entrada

Saída

∆VE ∆VS

0,5 ∆VS

0,5 ∆VE

td

Figura 1.11: Caracterização do tempo de atraso.

mente corretos. Para que se possa contornar essa situação deve-se conhecer pro-fundamente todas as características dos componentes que serão utilizados.

36

Page 39: Apostila Labsd1 Full 20131

1.3. Pré-Relatório

1.3 Pré-Relatório

1.3.1 Pesquisa bibliográfica

Faca uma pesquisa bibliográfica sobre os componentes TTL e CMOS explicandoas principais diferenças entre essas duas tecnologias. Além disso, utilizando osmanuais dos componentes 74LS00 (TTL) e 74HC00 (CMOS) responda as questõesabaixo.

1. Com relação aos parâmetros elétricos:

• Quais os valores dos parâmetros elétricos estáticos (VIL, VOL, VIH e VOH)?Monte uma tabela mostrando a comparação.

• Apresente a curva de transferência de tensão de um inversor CMOS eTTL. Faça uma breve discussão das diferenças observadas.

2. Com relação aos parâmetros dinâmicos:

• Quais os valores para tPHL e tPLH?

• Determine os valores de tr e tf para um inversor.

1.3.2 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

1.3.2.1 Simulação 1

Simule o circuito mostrado na Figura 1.12 e apresente a tabela verdade correspon-dente. Qual uma possível aplicação deste circuito?

37

Page 40: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

VCC

GND

A

B

LUZ

VCC

VCC

GND

GND

VCC

Figura 1.12: Circuito a ser simulado.

1.3.2.2 Simulação 2

A Figura 1.13 mostra um circuito de alarme de automóvel usado para detectaruma determinada condição indesejada. As três chaves são usadas para indicar,respectivamente, o estado da porta do motorista, o estado da ignição e o estadodos faróis. O alarme deve ser ativado (na simulação o LED deve acender) sempreque os faróis estão acesos e a ignição está desligada ou a porta do veículo estáaberta e a ignição está ligada. Simule este circuito no software de sua preferênciae verifique se o circuito funciona adequadamente. Justifique a sua resposta.

VCC

GND

FARÓIS

VCC

GND

IGNIÇÃO

VCC

GND

PORTA

Acesos

Apagados

Ligada

Desligada

Aberta

Fechada

R

LEDAlarme

Figura 1.13: Circuito de alarme de um automóvel.

1.3.2.3 Projetos

Projete e simule os circuitos dos itens a seguir. Em todos os casos, simule seuprojeto no software de sua preferência e apresente a tabela-verdade correspondente.

38

Page 41: Apostila Labsd1 Full 20131

1.4. Roteiro Experimental

Utilize LEDs como indicadores da saída da função booleana.

1. Utilizando apenas um CI da família 7400 (NAND), projete um circuito ANDcom três entradas.

2. Utilizando apenas um CI da família 7486 (XOR), projete um circuito NÃO-XOR (XOR) com quatro entradas.

1.4 Roteiro Experimental

1.4.1 PARTE 1 - Circuitos Elementares com Portas Lógicas

• Monte e teste os circuitos projetados na Seção 1.3.2.3. Com o multímetro,meça as tensões VLED sobre o LED e VR sobre o resistor. Anote todas as medi-ções.

• Visualize a tensão VR no osciloscópio e reproduza a tela do osciloscópio nosgabaritos fornecidos ao final deste roteiro.

1.4.2 PARTE 2 - Caracterização de CIs

1. Selecione um CI NAND da família TTL (por exemplo, o 74LS00) e monte ocircuito da Figura 1.14 (setup para curva). Observe que nesta montagem aporta NAND está configurada de forma a operar como uma porta inversora.Não se esqueça de conectar a alimentação do componente (pinos VCCe GND).

Fonte fixa

+5.0 V

Fonte variável

(0 a +5.0 V)

VCC (pino 14)

GND (pino 7)

Saída

Figura 1.14: Montagem para determinação da curva de transferência de uma portaNAND 74LS00. Figura adaptada de [SM11a]

2. Com a tensão de alimentação em VCC fixa em 5 V, altere a tensão fornecidaà entrada, em passos de 0.5 V. Meça a tensão de saída correspondente e cons-trua o gráfico da curva característica de transferência de tensão deste inversorusando as Figuras 1.16 e 1.17.

39

Page 42: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

Tabela 1.7: Levantamento de curvas características de CIs TTL e CMOS.

XXXX

XXXX

XXXX

FAMÍLIA

VIN(V)0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

TTL - VOUT(V)

CMOS - VOUT(V)

3. Desconecte as entradas A e B, deixando-as sem nenhuma ligação. Com ummultímetro digital realize a medida dos níveis de tensão nas entradas A eB e na saída Y do componente. Qual é o nível lógico das entradas A e Bcorrespondente ao nível lógico da saída Y medida? Justifique no relatório osníveis obtidos.

4. Repita os procedimentos anteriores para um CI 7400 da família CMOS.

5. Pense em um procedimento para determinar os níveis de tensão correspon-dente ao nível lógico UM e ao nível lógico ZERO de uma porta OR TTL. Des-creva detalhadamente o procedimento elaborado e monte o circuito necessáriopara determinação dos níveis de tensão. Compare os resultados obtidos comos resultados teóricos esperados.

6. Monte o circuito da Figura 1.15 (setup para tempos), implementando os inver-sores com portas NAND. Usando o osciloscópio, reproduza as formas de ondana entrada VIN (no canal 1) e VOUT (canal 2), quando a saída é tomada noprimeiro estágio VOUT,1 e no segundo estágio VOUT,2. Use a escala de tempomais “aberta” possível. Use os gabaritos em anexo e anote os tempos tPLH etPHL.

Gerador de

pulsos

VOUT,2VIN

CH1

VOUT,1

CH2 CH2

Figura 1.15: Montagem para determinação dos parâmetros dinâmicos de um CI.Figura adaptada de [SM11a]

7. Calcule o tempo de propagação tP da porta lógica em estudo.

8. Baseado nos parâmetros de tempo obtidos, qual é o intervalo de valores defrequências que pode ser usado? Justifique sua resposta.

40

Page 43: Apostila Labsd1 Full 20131

1.4. Roteiro Experimental

9. Escolha um valor de frequência adequado para o gerador de pulsos e executea medida do tempo de subida e de descida do sinal de saída da porta lógica.Anote os valores experimentais e compare com os valores pesquisados. Co-mente os resultados obtidos.

41

Page 44: Apostila Labsd1 Full 20131

1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 Tensão de entrada (V)

Ten

são

desa

ída

(V)

Figura 1.16: Curva característica experimental de circuito TTL.

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 Tensão de entrada (V)

Ten

são

desa

ída

(V)

Figura 1.17: Curva característica experimental de circuito CMOS.

42

Page 45: Apostila Labsd1 Full 20131

1.4. Roteiro Experimental

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

OffsetC

0

OffsetA

0

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

OffsetC

0

OffsetA

0

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

OffsetC

0

OffsetA

0

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

OffsetC

0

OffsetA

0

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

OffsetC

0

OffsetA

0

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

OffsetC

0

OffsetA

0

43

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Page 47: Apostila Labsd1 Full 20131

EX

PE

RI

ME

NT

O

2CIRCUITOS LÓGICOS

COMBINACIONAIS

2.1 Objetivos

Aprimorar a visão do aluno quanto à metodologia e implementação de um CircuitoLógico Combinacional e às implicações das decisões de projeto. Ao final da práticao aluno deverá estar apto a trabalhar com certo grau de desenvoltura no ambienteda protoboard e a trabalhar com quaisquer circuitos combinacionais.

2.2 Circuitos Lógicos Combinacionais

2.2.1 Introdução

Os circuitos lógicos combinacionais são aqueles onde o nível lógico da(s) saída(s),em qualquer instante de tempo, depende única e exclusivamente, dos níveis lógicospresentes nas entradas. Em outras palavras, são circuitos que não possuem a carac-terística de memória. Estes circuitos são projetados para executar uma operaçãode processamento que pode ser especificada por meio de um conjunto de equaçõesbooleanas, cuja as regras e propriedades são dadas pela Álgebra de Boole, conformejá estudado nas aulas teóricas.

O estudo dos circuitos combinacionais é importante para compreender o funcio-namento de circuitos muito utilizados na construção de computadores e em váriosoutros sistemas digitais, como por exemplo, os circuitos somadores, subtratores, co-dificadores, entre outros. De forma geral, os circuitos combinacionais podem serusados para solucionar problemas em que se necessita de uma resposta, quandoacontecerem determinadas situações, representadas pelas variáveis de entrada.Para se construir esses circuitos, necessita-se de suas expressões características

45

Page 48: Apostila Labsd1 Full 20131

2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS

que, como já foi visto, são obtidas através das tabelas verdade que representam assituações já mencionadas.

2.2.2 Projeto de Circuitos Combinacionais

A Figura 2.1 ilustra a sequência do processo para o projeto de qualquer circuitodigital combinacional.

Figura 2.1: Ilustração da metodologia a ser seguida para o projeto de circuitoscombinacionais.

O processo se inicia com uma análise detalhada e profunda do problema quedeve ser resolvido. Esta análise deve permitir a descrição do problema na forma deuma tabela verdade. Esta é a etapa mais difícil e requer experiência do projetista,pois não é possível torná-la um processo algorítmico, passível de uma metodizaçãoabsoluta devido, sobretudo, às nuances e características de cada problema.

No entanto, em geral, a identificação correta das variáveis de entrada e saída éum passo que auxilia na construção da tabela verdade. Nesse processo, o projetistadeve responder algumas perguntas, como por exemplo:

• Quantas são as variáveis de entrada e saída?

• Quais são?

• O que representa os níveis lógicos ZERO e UM?

46

Page 49: Apostila Labsd1 Full 20131

2.3. Displays

Após essas definições deve-se realizar as combinações das variáveis de entrada emontar a tabela verdade para cada saída.

Após a obtenção da tabela verdade, o próximo passo é a expressão booleanade cada saída. Uma forma de realizar esse procedimento é escrever o termo AND(produto) para cada caso em que a saída esteja em nível lógico alto e depois escrevera expressão de soma de produtos para a saída.

A obtenção da expressão lógica do problema já permite a implementação do cir-cuito. No entanto, é altamente recomendável simplificar a expressão lógica obtidade forma a obter um circuito mais simples e, consequentemente, mais barato. Oprocesso de simplificação pode ser realizado através da Álgebra de Boole ou atra-vés da utilização de Mapas de Karnaugh.

Antes de implementar em protoboard o circuito lógico obtido da expressão finalsimplificada, recomenda-se simular o circuito em software de simulação apropri-ado, de forma a validar o projeto e assim evitar perda de tempo na montagem decircuitos errados.

2.3 Displays

2.3.1 Introdução

O display é um elemento importante no projeto de sistemas eletrônicos, dada a suafunção de apresentar informações inteligíveis a um ser humano. A gama de uti-lização dos displays é bastante diversa, indo desde aplicações no setor industrialaté a incorporação em produtos eletrônicos de consumo de massa. Um exemplorecente são os displays sensíveis ao toque usados em produtos portáteis. Assim,encontra-se no mercado uma grande variedade de opções de formatos, especifica-ções e complexidade de displays.

Todos os displays pedem algum tipo de circuito para controlar seus elementosinternos. Por exemplo, para um display SXGA (Super Extended Graphics Array)de 1280 x 1024 pixels usado em notebooks, torna-se necessária a presença de cir-cuitos destinados a controlar cada um de seus pixels, de modo a poder mostrardinamicamente as imagens que se deseja visualizar.

Neste experimento, será utilizado um display LED de sete segmentos. Este tipode display é usado para visualizar informações numéricas, podendo ser usado emrelógios, instrumentos de medição, painéis de preço e calculadoras, dentre outrasaplicações. Como os displays necessitam de controladores, também será utilizadoum conversor de dígitos BCD para 7 segmentos, projetado especificamente pararealizar interface com o display mencionado.

2.3.2 O Display LED de 7 Segmentos

Como o nome indica, o arranjo deste display consiste em uma matriz de LEDsformando sete segmentos, referenciados pelas letras A até G. Além das letras, écomum existir um ponto (DP − decimal point), prevendo aplicações numéricas. No-

47

Page 50: Apostila Labsd1 Full 20131

2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS

tem que 7 segmentos permitem representar números de 0 a 15 em hexadecimal(verifiquem).

Visto que cada segmento é um LED, deve-se conectar o anodo e catodo de ma-neira correta, de forma a polarizá-lo corretamente e permitir a emissão de luz.Comercialmente, há duas opções de configuração: anodo comum ou catodo comum.Neste experimento, será utilizado um display de catodo comum, como mostrado naFigura 2.2.

b

b

b

b

b

bD

G

A

F

E

B

C

DP

K

D

F

E

G

A

K

B

DP

C

Figura 2.2: Display de 7 segmentos. Esquerda: disposição dos segmentos; direita:configuração catodo comum.

Para limitar a corrente em cada LED, convém inserir um resistor entre o catodoe a linha de aterramento. Uma possibilidade é usar vários resistores, cada um paraum diodo. Outra é a de usar um único resistor para todos os diodos, utilizando ocatodo comum. A primeira solução é mais trabalhosa, porém evita uma falha nodisplay todo caso o resistor único apresente defeito.

2.3.3 Conversor BCD para 7 segmentos

O CI 4511 realiza uma codificação de uma entrada binária em codificação BCD(entradas DA, DB, DC, DD - sendo DD o bit mais significativo) para sete saídas (Oaaté Og), de modo a permitir a interconexão ao display de sete segmentos. Alémdas entradas mencionadas, há mais três sinais de controle, todos ativos em nívelbaixo:

• EL: latch enable input (habilita o latch): quando EL é BAIXO, o estado dossegmentos (Oa até Og) é determinado pelas entradas (DA, DB, DC, DD); casocontrário, a saída e determinada pelos últimos valores armazenados no latch;

48

Page 51: Apostila Labsd1 Full 20131

2.3. Displays

Figura 2.3: CI 4511: diagrama funcional e pinagem.

Figura 2.4: Tabela verdade do CI 4511.

• LT : lamp test input (teste do display): quando ativo, aciona todos os segmen-tos do display;

49

Page 52: Apostila Labsd1 Full 20131

2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS

• B I : ripple blanking input (desativa o display): nível BAIXO força todos ossegmentos para nível BAIXO;

Essas informações podem ser resumidas na tabela verdade do dispositivo, Figura2.4, obtida no manual do fabricante. A Figura 2.5 ilustra a forma correta de realizaro acionamento de um display de 7 segmentos. Observe nesta figura que o LEDutilizado é do tipo anodo comum, visto que os anodos de todos os segmentos estãoconectados juntos em VCC

Figura 2.5: Decodificador/driver BCD para 7 segmentos acionando um display deLEDs de 7 segmentos tipo anodo comum.

2.4 Pré-Relatório

2.4.1 Pesquisa bibliográfica

Conforme mencionado, o processo de simplificação de expressões lógicas pode serfeito através da Algebra de Boole ou através da utilização do Mapa de Karnaugh.Essas duas abordagens, embora eficientes, são restritas à problemas com baixo nú-mero de variáveis. Desta forma, procure na literatura como é realizado o processode simplificação em problemas que possuem número elevado de variáveis. Des-creva o procedimento de forma sucinta (não é necessário detalhar o processo). Nãose esqueça de mencionar a sua fonte bibliográfica.

2.4.2 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por

50

Page 53: Apostila Labsd1 Full 20131

2.4. Pré-Relatório

exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

2.4.2.1 Projeto e Simulação 1

Um circuito digital desconhecido possui três entradas e gera uma única saída di-gital F. Para sintetizar este circuito montou-se no laboratório a configuração mos-trada na Figura 2.6.

Gerador dePalavrasDigitais

Circuito DigitalDesconhecido“Black Box”

F

A

B

C

Figura 2.6: Montagem experimental para determinação do circuito digital.

Observe na Figura 2.6 que é utilizado um dispositivo chamado de analisadorlógico. Um analisador lógico é um instrumento eletrônico usado para visualizarno tempo os estados lógicos de vários pontos de um circuito eletrônico digital. Ba-sicamente vários canais de monitoramento são conectados a um circuito real e oresultado é apresentado em uma tela de vídeo ou graficamente em papel através deuma impressora. Dessa forma pode-se analisar o comportamento e a temporizaçãode portas lógicas, contadores, registradores, processadores e demais componentesdigitais de um circuito.

Nesta montagem o gerador de palavras digitais gera uma palavra de três bits(bits A, B e C) a cada 50 ns e o diagrama de temporização obtido através do anali-sador lógico e apresentado na Figura 2.7.

Considerando as informações expostas: Projete e simule o circuito combinaci-onal simplificado que satisfaz este diagrama. Não se esqueça de apresentar a

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Page 54: Apostila Labsd1 Full 20131

2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS

Figura 2.7: Formas de ondas observadas na tela do analisador lógico.

expressão lógica e o diagrama esquemático do circuito. Além disso, justifique oaparecimento de um deslocamento ∆t no diagrama temporal da saída F.

2.4.2.2 Projeto e Simulação 2

Projetar e simular um circuito digital para informar os cinco últimos números doseu registro acadêmico (RA ou matrícula). O dígito que deverá ser apresentado nodisplay será selecionado através de três chaves. No projeto, as seguintes considera-ções devem ser respeitadas:

• Desprezar o traço (ou barra) presente no seu RA. Exemplo, 09/0037111 ⇒

090037111.

• Desprezar os últimos quatro dígitos à esquerda, de forma a deixar seu RAcom apenas 5 dígitos: Exemplo, 090037111 ⇒ 37111.

• Para as entradas não previstas no projeto deve-se utilizar a condição que pro-porcione maior economia de portas lógicas, ou seja, o menor circuito possível.

Exemplo de Projeto: Considere um aluno cujo registro acadêmico (RA) é o nú-mero 09/0037451. Levando-se em consideração os itens descritos anteriormente,para efeito de projeto tal RA passa a ser considerado como 37451.

O objetivo geral do projeto é obter um circuito digital que, de acordo com asentradas presentes nas chaves seletoras (isto é: 000, 001, 010, 011, 100), exiba nodisplay de 7 segmentos o dígito de posição equivalente ao selecionado nas chavesseletoras. Por exemplo, se as chaves seletoras estiverem na condição 000 deve-sese exibir o dígito mais a direita do seu RA, ou seja, o dígito 1. Se a condição deentrada for 001, deve-se exibir o dígito imediatamente a esquerda, ou seja o 5. Sea condição de entrada for 010, deve-se exibir o dígito 4, se for 011, deve-se exibir odígito 7 e, por fim, se a condição de entrada for 100, deve-se exibir o dígito 3.

Observação: Cada aluno deve fazer um circuito para o seu RA específico (por-tanto, em cada dupla, deve existir dois projetos diferentes), de forma que, não de-verá existir dois circuitos idênticos sob pena do aluno receber nota zero no pré-relatório e ficar impedido de realizar o experimento.

52

Page 55: Apostila Labsd1 Full 20131

2.5. Roteiro Experimental

2.4.2.3 Projeto e Simulação 3

Projete um sistema que multiplique um número binário de 3 bits por 2 ou por 3,dependendo do valor de um sinal M.

O resultado obtido deve ser mostrado no display de 7 segmentos. Para os casosque não for possível exibir o resultado no display, o aluno tem liberdade para de-cidir o que deve ser exibido. No entanto, deve estar bem claro, antes do projeto, oque irá acontecer nesses casos.

Considere: M=0 ⇒ multiplicação por 2 e M=1 ⇒ multiplicação por 3.

2.5 Roteiro Experimental

Monte os circuitos projetados nas Seções 2.4.2.2 e 2.4.2.3. Com relação ao circuitoda seção 2.4.2.2 os alunos devem escolher um dos projetos da dupla para realizar amontagem. Nas duas montagens deve-se realizar a seguinte sequência:

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas ascombinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas dodisplay;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, executea metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não seesqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração;

4. Responda as seguintes perguntas:

• Qual a maior dificuldade encontrada no projeto? Após ter adquirido a ex-periência em projetar este circuito, o que você faria diferente para tornaro processo mais simples?

• Se for preciso alterar o tipo do display utilizado de cátodo comum paraânodo comum, de forma rápida, quais alterações você sugeriria no cir-cuito?

• Foi preciso utilizar o documento “metodologia de depuração”? Se sim,quais ítens foram equivocados e não ajudaram no processo de encontraro erro de montagem? Quais mudanças vocês propõem nesse documentopara deixá-lo mais eficiente?

53

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EX

PE

RI

ME

NT

O

3CIRCUITOS SOMADORES E

SUBTRATORES

3.1 Objetivos

Familiarização com a aritmética binária e com a implementação de circuitos soma-dores binários.

3.2 Circuitos Aritméticos

3.2.1 Introdução

Uma função essencial da maioria dos computadores e calculadoras é a realizaçãode operações aritméticas. Essas operações são realizadas em uma parte específicado hardware conhecida como Unidade Lógica e Aritmética (ULA). Esta unidade éformada por portas lógicas e flip-flops que combinados permitem a realização desomas, subtrações, multiplicações e divisões de números binários. Esses circuitosrealizam essas operações em uma velocidade considerada humanamente impossí-vel. Normalmente, uma operação de adição demora menos que 100 ns [TWM07].

A estrutura básica de uma ULA está mostrada na Figura 3.1. O objetivo básicode uma ULA é receber dados binários armazenados na memória e executar opera-ções aritméticas e lógicas sobre esses dados, de acordo com instruções provenientesda unidade de controle. Assim, uma sequência de operações típica de uma ULApode ocorrer conforme se segue:

1. A unidade de controle recebe uma instrução determinando que um determi-nado valor na memória deve ser somado ao valor do acumulador;

2. O valor é transferido da memória para o registrado B;

55

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3. CIRCUITOS SOMADORES E SUBTRATORES

3. Os valores do acumulador e do registrador B são apresentados à lógica deadição que executa a soma e armazena o resultado no acumulador;

4. O resultado pode ser mantido no acumulador para operações subsequentes ouser transferido para a memória.

Entrada

Unidadelógica /

aritmética

Controle Saída

Memória

dados, informação

dados, informação

sinais de controledados ou informação

Unidade Central de Processamento

Figura 3.1: Blocos funcionais de uma ULA. Figura extraída de [TWM07].

A complexidade dos blocos funcionais da ULA mostrados na Figura 3.1 é propor-cional à complexidade do sistema em que será utilizada; assim, sistemas simplespermitem o uso de ULAs simples e sistemas sofisticados exigem ULAs sofistica-das. Uma vez estabelecido o porte do sistema, existe também o compromisso entrevelocidade e preço. Por exemplo, as calculadoras eletrônicas exigem ULAs que per-mitem operações complexas, porém com velocidade de operação baixa, reduzindo-seo custo; já os computadores de grande porte exigem velocidade de operação elevada,aumentando o custo da ULA.

Neste momento do curso, no entanto, não estamos interessados no estudo de-talhado de todos os blocos funcionais que formam uma ULA. Nosso foco, então,será apenas nos circuitos lógicos que realizam as operações aritméticas de soma esubtração.

3.2.2 Números com sinais e o Sistema de Complemento de 2

Como a maioria dos computadores e das calculadoras digitais realiza operaçõestanto com números positivos e negativos, é necessário representar, de algumaforma, o sinal do número (+ ou −). Existem várias formas de obter essa representa-ção. Uma das maneiras é a representação denominada de sistema sinal-magnitude.Nesta forma de representação simplesmente adiciona-se ao número um outro bitdenominado de bit de sinal. Em geral, a convenção comum é utilizar o bit 0 paranúmero positivos e o bit 1 para números negativos.

Embora o sistema sinal-magnitude seja uma representação direta, os compu-tadores e calculadores normalmente não o utilizam, porque esse sistema requera implementação de circuitos mais complexos. A maioria dos sistemas modernos

56

Page 59: Apostila Labsd1 Full 20131

3.2. Circuitos Aritméticos

usa o sistema de complemento de 2 para representar números negativos. Ocomplemento de 2 de um número é obtido tomando o complemento de 1 do número(substituição de todos os 0s por 1s e 1s por 0s) e somando 1 na posição do bit menossignificativo.

O sistema de complemento de 2 para representação de números com sinal fun-ciona da seguinte forma:

• Se o número for positivo, a magnitude é representada por na sua forma direta,e um bit de sinal 0 é colocado em frente ao bit mais significativo.

• Se o número for negativo, a magnitude é representada na sua forma de com-plemento de 2, e um bit de sinal 1 é colocado em frente ao bit mais significa-tivo.

Esse sistema é o mais utilizado para representar números com sinal porquepermite realizar a operação de subtração efetuando, na verdade, uma operação deadição. Desta forma, o sistema digital pode usar o mesmo circuito tanto na adiçãoquando na subtração, desse modo poupando hardware.

Para visualizar como esse procedimento funciona, basta lembrar que realizar asubtração de (5−4) é equivalente a realizar a seguinte operação de adição (5+ (−4)).Portanto, para realizar a operação de soma ou subtração que envolva númerosnegativos, basta determinar o complemento de 2 dos números negativos envolvidose realizar a operação de adição. O procedimento descrito abaixo ajuda na tarefa derealizar operações no sistema de complemento de 2.

1. Represente os números envolvidos em binário puro;

2. Verifique a quantidade de bits da representação, se necessário complete aseqüencia de bits com zeros à esquerda;

3. Identifique os números negativos e determine o seu complemento de 2;

4. Realize a soma binária;

5. Verifique o bit de sinal do resultado, se for 0, o resultado é positivo, se for 1 oresultado é negativo;

6. Em caso de resultado negativo, se quiser visualizar o resultado, recomenda-se representar o número na forma de sinal-magnitude, assim determine ocomplemento de 2 do resultado para determinar a magnitude do número ne-gativo obtido (lembrando ao final deste processo que trata-se de um númeronegativo);

3.2.3 Circuitos Somadores

Existem diversos circuitos diferentes para implementar a operação aritmética desoma, como por exemplo, o circuito meio somador, circuito somador completo, cir-cuito somador completo paralelo, entre outros. Na seção 3.3.1 deste roteiro serásolicitado ao aluno realizar uma pesquisa bibliográfica para apresentar as caracte-rísticas de cada circuito somador existente.

57

Page 60: Apostila Labsd1 Full 20131

3. CIRCUITOS SOMADORES E SUBTRATORES

3.2.4 Overflow Aritmético

Ocorre sempre que uma operação aritmética produz um número que necessita serexpresso em mais bits de magnitude do que está disponível. Por exemplo, considereum sistema digital que trabalha com números de 4 bits de magnitude e um bit desinal. Considere que seja necessário realizar a adição de +9 (01001) com +8 (01000).Neste caso, tem-se como resultado o número (10001)B , que representaria o decimal−1, enquanto que a resposta deveria ser +17, indicando obviamente um erro nocálculo. Isso ocorre porque para representar a magnitude 17 é necessário mais doque os quatro bits disponíveis, portanto ocorre o transbordamento do “vai-um” ouoverflow.

A condição de overflow pode ocorrer apenas quando dois números positivos oudois números negativos são somados, e isso sempre produz um resultado errado.Desta forma, o overflow pode ser detectado verificando se o bit de sinal do resultadotem o mesmo valor dos bits de sinal dos números que estão sendo somados.

3.3 Pré-Relatório

3.3.1 Pesquisa bibliográfica

Realize uma pesquisa bibliográfica sobre as diferentes configurações de circuitossomadores existentes. Faça uma breve explicação sobre a teoria envolvida em cadaum deles, além de uma comparação entre essas diferentes configurações, desta-cando em cada caso as vantagens e desvantagens. DICA: Pesquisar sobre um cir-cuito denominado “carry antecipado” (look-ahead carry).

3.3.2 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

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Page 61: Apostila Labsd1 Full 20131

3.3. Pré-Relatório

3.3.2.1 Projeto e Simulação 1

Projetar e simular um circuito que permita realizar o complemento de 1 de umnúmero de 3 bits (incluindo o bit de sinal). Esse circuito deve possuir ainda umaentrada seletora (SEL) que permita especificar quando deve-se realizar essa opera-ção de complemento.

Desta forma, quando a operação de complemento não for desejada, o circuitodeve fornecer na saída exatamente o número de entrada (ver Figura 3.2). Assim, afunção realizada por esse circuito depende do valor da entrada de seleção SEL:

• se SEL = 0, a função selecionada é a IGUALDADE e Z = A;

• se SEL = 1, a função selecionada é o COMPLEMENTO DE 1 e Z = comple-mento de 1 de A.

IGUALDADE /COMPLEMENTO DE 1

Z

A

SEL

3

3

Figura 3.2: Circuito seletor de Igualdade/Complemento de 1.

3.3.2.2 Projeto e Simulação 2

Projetar e simular um circuito que seja capaz de detectar uma condição de overflow

(Estouro de Capacidade) para ser usado com um circuito somador de números comsinal, de três bits, codificados na forma de complemento de 2.

3.3.2.3 Projeto e Simulação 3

Projetar e simular um circuito SOMADOR/SUBTRATOR de três bits (incluindo obit de sinal) para números com sinal, codificados na forma de complemento de 2,dado pelo bloco funcional mostrado na Figura 3.3. O circuito deve ter ainda umasaída (E) que indica as situações em que ocorreu um estouro de capacidade (over-

flow). O resultado da operação deve ser exibido em um display de sete segmentos.Desta forma, a função realizada por este circuito, que depende do valor da entradade seleção SEL, pode ser resumida da seguinte forma:

• se SEL = 0, a função selecionada é a SOMA e S = A + B;

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Page 62: Apostila Labsd1 Full 20131

3. CIRCUITOS SOMADORES E SUBTRATORES

• se SEL = 1, a função selecionada é a SUBTRAÇÃO e S = A + Complementode 2 de B.

• A saída E indica a condição de Overflow.

• A saída C4 é o carry da operação, que pode ser utilizado para expandir acapacidade da operação através da associação com outros blocos somadores.

SOMADOR / SUBTRATOR

SE

A B

C4

SEL

3

33

Figura 3.3: Circuito Somador/Subtrator de três bits.

DICAS:

• O bloco lógico funcional desse circuito deve ser, primeiramente, detalhado naforma de um circuito lógico utilizando grandes blocos funcionais. Em seguida,esse circuito lógico deve ser detalhado usando os blocos funcionais disponíveisindividualmente na forma de CIs (inversores, portas, etc).

• Utilize os circuitos projetados nas Seções 3.3.2.1 e 3.3.2.2 como parte do seuprojeto.

• Cuidado na etapa de verificação do circuito. Prepare tabelas contendo os va-lores de entrada e saída e siga-as, verificando se o circuito fornece a saídacorreta em todos os casos.

OPCIONAL: O circuito projetado irá fornecer na saída os valores negativos emsua forma de complemento de 2. Altere o seu projeto de forma que na saída osnúmeros negativos não estejam nesta forma. Para indicar o sinal negativo utilizeo segmento de ponto do display de 7 segmentos.

3.4 Roteiro Experimental

Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 3.3.2.1, 3.3.2.2 e3.3.2.3. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência:

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

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Page 63: Apostila Labsd1 Full 20131

3.4. Roteiro Experimental

2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas ascombinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas dodisplay ou LEDs;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, executea metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não seesqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração;

4. Observe, também, a ocorrência de resultados inválidos. Caso existam, em quecondições eles ocorrem?

5. Responda as seguintes perguntas:

• Quais as diferença entre o circuito projetado na Seção 3.3.2.3 e uma ULA(Unidade Lógica Arimética) presente nos principais processadores?

• Como o circuito projetado na Seção 3.3.2.3 poderia ser modificado parapoder apresentar resultados com 3 bits de magnitude?

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4CIRCUITOS CODIFICADORES E

DECODIFICADORES

4.1 Objetivos

Compreender o funcionamento e se familiarizar com o projeto de circuitos codifica-dores e decodificadores.

4.2 Circuitos conversores de códigos

4.2.1 Introdução

Atualmente, o termo “digital” tornou-se parte do nosso vocabulário diário devido aomodo intenso pelo qual os circuitos digitais e as técnicas digitais passaram a seramplamente utilizadas em quase todas as áreas: computadores, automação, robôs,transporte, telecomunicações, entre outras.

No entanto, a maioria dos sistemas digitais trabalham com as informações codi-ficadas em bits. O homem, por outro lado, que interage com esses sistemas, não écapaz de interpretar com rapidez uma informação nessa codificação. Por exemplo,imagine você trabalhando em seu computador escrevendo um relatório de sistemasdigitais e, ao invés de digitar as palavras em um teclado alfanumérico como estáacostumado, tivesse que entrar direto com o código ASCII, código que o computa-dor trabalha internamente, de cada letra. Com toda certeza levaria horas nessatarefa! E ler seu relatório na tela com todo o texto apresentado em formato ASCII?Praticamente impossível!!

Adicionalmente, a necessidade de interação homem - sistema digital não é única,existe também a necessidade de interação entre os diferentes tipos de sistemas digi-tais. Devido a diversidade das informações existentes e a diversidade dos sistemasdigitais, a necessidade de troca de informação entre esses diferentes sistemas é

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4. CIRCUITOS CODIFICADORES E DECODIFICADORES

muito grande. No entanto, um sistema pode não entender a informação ou o códigoutilizado pelo outro sistema.

Desta forma, é fundamental a existência de circuitos que convertam a informa-ção de um código para outro. Os circuitos que realizam essa função são conhecidoscomo circuitos codificadores e decodificadores. Estes são circuitos combinacionaisdedicados: circuitos comuns em projetos de sistemas digitais devido às funçõeslógicas que executam, podendo ser encontrados prontos em circuitos integrados co-merciais. De forma geral, pode-se definir o codificador como um circuito lógico que,como o próprio nome o diz, codifica uma informação que se encontra em um formatotrivial, para um outro formato, nem tanto trivial, mas especializado, usando um pa-drão de conversão de tipo de código. O decodificador, por sua vez, traz a informaçãode um formato de código especializado para um formato de código mais trivial.

Para a parte teórica e assuntos referente ao projeto dos circuitos codificadores -decodificadores o aluno deverá se referir às notas de aula da parte teórica e/ou àsreferências bibliográficas apresentadas no final deste roteiro.

4.2.2 Códigos

São vários os códigos dentro do campo Eletrônica Digital, existindo situações emque a utilização de um é vantajosa em relação a outro. A Tabela 4.1 apresenta al-guns exemplos de representação de números decimais em códigos binários bastanteusados na prática.

Os códigos das duas primeiras colunas da tabela são chamados códigos ponde-rados, uma vez que a cada bit é atribuído um peso. O código da primeira coluna éo mais comum e chamado código 8421 ou BCD (Binary-Coded-Decimal).

Tabela 4.1: Exemplos de códigos mais frequentes.

DECIMAL8 4 2 1(BCD)

2 4 2 1EXCESSO

DE 32 EM 5 BIQUINÁRIO

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1

1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0

2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0

3 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0

4 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0

5 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1

6 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0

7 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0

8 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0

9 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0

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Page 67: Apostila Labsd1 Full 20131

4.3. Pré-Relatório

Além dos códigos apresentados existem, por exemplo, o código Gray, o códigoJohnson, o código ASCII, entre outros.

4.3 Pré-Relatório

4.3.1 Pesquisa bibliográfica

Pesquise as principais aplicações que empregam os códigos apresentados na Seção4.2.2. Se possível, em cada caso, procure destacar a vantagem da utilização de umcódigo em relação aos outros.

4.3.2 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

4.3.2.1 Projeto e Simulação 1

Projete e simule um sistema de conversão de códigos, onde os códigos de entradae saída são indicados na Tabela 4.2. As saídas do circuito devem ser visualizadasem LEDs. O aluno deve obter as expressões lógicas de todas as variáveis de saída,além de minimizar as funções obtidas utilizando o Mapa de Karnaugh.

Para esta etapa de minimização, considere que as combinações de entrada nãoutilizadas são condições de irrelevância (don’t care).

4.3.2.2 Projeto e Simulação 2

Um codificador de prioridades é um circuito combinacional onde, se um ou maisbits de entrada forem iguais a 1, a saída indicará o bit de maior prioridade. Con-siderando que a ordem de prioridade é definida do MSB para o LSB, a Figura 4.3mostra a tabela verdade para um codificador de prioridade de 4 entradas. O “X”

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4. CIRCUITOS CODIFICADORES E DECODIFICADORES

CÓDIGO DE ENTRADA CÓDIGO DE SAÍDA

A B C D x y z w v

0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0 0 0 1

0 0 1 0 0 0 0 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1 1

0 1 0 0 0 1 1 1 1

0 1 0 1 1 1 1 1 1

0 1 1 0 1 1 1 1 0

0 1 1 1 1 1 1 0 0

1 0 0 0 1 1 0 0 0

1 0 0 1 1 0 0 0 0

Tabela 4.2: Códigos de entrada e de saída utilizados no primeiro projeto.

indica um valor de irrelevância (don’t care), e a saída V indica quando há entradasdiferentes de zero. Projete e simule o circuito que implemente esse codificador.

ENTRADAS SAÍDAS

D3 D2 D1 D0 A1 A0 V

0 0 0 0 x x 0

0 0 0 1 0 0 1

0 0 1 x 0 1 1

0 1 x x 1 0 1

1 x x x 1 1 1

Tabela 4.3: Tabela verdade do circuito codificador de prioridades.

4.4 Roteiro Experimental

Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 4.3.2.1 e 4.3.2.2. Emtodas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência:

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

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Page 69: Apostila Labsd1 Full 20131

4.4. Roteiro Experimental

2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as com-binações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradasnos LEDs;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, executea metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não seesqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração;

4. Responda a seguinte questão: quais as diferenças entre um circuito codifica-dor e um circuito decodificador?

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5CIRCUITOS MULTIPLEXADORES E

DEMULTIPLEXADORES

5.1 Objetivos

Familiarização com os conceitos de multiplexação e demultiplexação, bem como suautilização para implementação de funções lógicas.

5.2 Circuitos Multiplexadores

5.2.1 Introdução

Multiplexar significa selecionar dados dentre diversas fontes. A Figura 5.1 mostrao esquema funcional generalizado de um multiplexador lógico. Nesse dispositivo,os terminais de seleção determinam o terminal de entrada de dados que terá seuconteúdo transferido para a saída. A operação inversa é denominada demultiple-xação.

A Figura 5.2 mostra o esquema funcional de um demultiplexador. Como serámostrado adiante, o demultiplexador lógico é quase equivalente a um decodificador.As operações de multiplexação e demultiplexação são realizadas quando diversasfontes de dados compartilham de uma mesma unidade de processamento ou canalde transmissão.

É importante ter em mente que, os circuitos multiplexadores e demultiplexado-res são simplesmente circuitos combinacionais com diversos terminais de entrada eapenas um terminal de saída, ou vice-versa. O conceito de seleção de dados é maisuma questão de aplicação e ponto de vista do que de funcionamento. Para funda-mentos teóricos mais detalhados e assuntos referentes a projeto desses circuitos oaluno deverá consultar o material teórico das aulas teóricas.

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5. CIRCUITOS MULTIPLEXADORES E DEMULTIPLEXADORES

E7

E6

E5

E4

E3

E2

E1

E0

S0 S1 S2log2NEntradas de SELEÇÃO

SaídaN Entradasde DADOS MUX

Figura 5.1: Representação de um multiplexador 8/1.

E7

E6

E5

E4

E3

E2

E1

E0

S0 S1 S2log2NEntradas de SELEÇÃO

Entrada N Saídasde DADOSDEMUX

Figura 5.2: Representação de um demultiplexador 1/8.

5.2.2 Uso de multiplexadores para implementar funçõeslógicas

A implementação de funções lógicas de maior complexidade não é normalmenteuma tarefa fácil, podendo exigir o uso de muitas portas lógicas. Para simplificar osprojetos, podem-se utilizar componentes com um maior grau de integração (MSI -Medium Scale Integration e LSI - Large Scale Integration), que proporcionam uma

70

Page 73: Apostila Labsd1 Full 20131

5.2. Circuitos Multiplexadores

significativa redução do número de componentes necessários à implementação demuitas funções. No entanto, o custo de tais componentes, muitas vezes, é supe-rior ao das portas lógicas. Assim, para efeito de escolha, o custo global do projetotambém deve ser considerado [SM06a].

O uso de multiplexadores e decodificadores é uma opção vantajosa em relação àsportas lógicas [SM06a]. Eles podem ser utilizados para se implementar uma funçãobooleana genérica e são particularmente convenientes para tal fim quando a funçãoa ser implementada é de natureza irregular, e não permite muita simplificação.Em muitos casos, o uso de multiplexadores resulta em um projeto mais fácil, maiscompacto e mais flexível.

Para entender como funciona o processo de utilização dos multiplexadores paraimplementar uma função lógica vamos analisar o seguinte exemplo:

Exemplo 1: Considere que estamos interessados em projetar o circuito repre-sentado pela tabela verdade mostrada na Figura 5.3. Neste caso, o multiplexadorpode ser usado para gerar a função lógica diretamente da tabela verdade sem sim-plificação. Para isso, as entradas de seleção são usadas para as variáveis lógicas ecada entrada de dados é conectada permanentemente aos níveis ALTO ou BAIXOde acordo com a tabela verdade.

Figura 5.3: Tabela verdade do exemplo1.

Exemplo 2: No exemplo 1, o problema analisado consistia de 3 variáveis de en-trada e foi utilizado um Mux 8x1. No entanto, o processo pode ficar um pouco maiscomplexo quando o problema possui um número de variáveis de entrada maior doque a capacidade do multiplexador disponível. Por exemplo, considere a tabelaverdade mostrada na Figura 5.4. Para implementar a função lógica desta tabelaverdade precisaríamos de um multiplexador de 16 canais, visto que, temos 4 variá-veis de entrada. No entanto, considere que está disponível apenas MUX 8 canais.

Neste caso, três das quatro variáveis independentes são escolhidas para aci-onar os terminais de seleção (no presente caso escolheu-se as variáveis A, B e C).Observe na Figura 5.4 que, esta escolha permite reduzir a tabela verdade que tinha16 canais para 8 canais, visto que, uma determinada combinação nas entradas A, B

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Page 74: Apostila Labsd1 Full 20131

5. CIRCUITOS MULTIPLEXADORES E DEMULTIPLEXADORES

e C estará endereçando duas linhas da tabela verdade. Assim, estamos agrupandoa tabela a cada duas linhas, formando uma tabela final com 8 canais.

Cada terminal de dados do multiplexador deverá ser acionado pela variávelindependente que restou (no presente caso a variável D). O terminal de saída pode,então, assumir 4 possibilidades: f = D, f = D, f = 1 ou f = 0. A Figura 5.5 ilustra oesquema de ligação das entradas no multiplexador para implementar essa função.

Figura 5.4: Tabela verdade do exemplo2.

5.2.2.1 Técnica geral

A técnica de implementação introduzida acima pode ser generalizada para umafunção de n variáveis. Considere por exemplo um multiplexador de 8 terminais dedados. A expressão booleana da saída S é:

S = E1E2E3D0 +E1E2E3D1 + . . .+E1E2E3D7 (5.1)

Qualquer função de n > 3 variáveis pode ser colocada na forma:

f (A,B ,C ,D,E , . . .) = ABC F0(D,E , . . .)+ ABC F1(D,E , . . .)+ . . .+ ABC F7(D,E , . . .) (5.2)

em que A, B e C são variáveis selecionadas arbitrariamente dentre as n e F0, F1, . . .,F7 são funções das (n −3) variáveis restantes, portanto mais simples que a funçãooriginal f. No caso particular em que n = 4, as funções F0, F1, . . ., F7 são funçõesda única variável restante e existem apenas 4 possibilidades (1, 0, D, D) como

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Page 75: Apostila Labsd1 Full 20131

5.3. Pré-Relatório

Figura 5.5: Implementação da função f com um MUX-8.

já foi visto. Também se n = 3, f estará na própria forma canônica de mintermose, portanto, os fatores F0, F1, . . ., F7 só podem ser ou identicamente iguais a 0 ouidenticamente iguais a 1. A mesma técnica pode ser naturalmente estendida aoutros multiplexadores. Um multiplexador de 16 entradas de dados, por exemplo,pode implementar qualquer uma das 232 funções diferentes de 5 variáveis, comapenas uma única porta inversora adicional.

5.3 Pré-Relatório

5.3.1 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

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Page 76: Apostila Labsd1 Full 20131

5. CIRCUITOS MULTIPLEXADORES E DEMULTIPLEXADORES

5.3.1.1 Projeto e Simulação 1

Projete e simule um circuito que implemente a função dada abaixo usando ummultiplexador de 4 entradas de dados e um decodificador de 4 entradas.

f (A,B ,C ,D) = ABC D + ABC D + ABC D + ABC D (5.3)

Orientação: O decodificador também é um circuito útil na implementação defunções complicadas, pois cada uma de suas saídas constitui um dos mintermos dasvariáveis de entrada. Observe, por exemplo, que qualquer função de 4 variáveispode ser implementada com um DECOD-4 e mais algumas portas OU. Portanto,use o decodificador como um gerador de mintermos para o multiplexador.

5.3.1.2 Projeto e Simulação 2

A economia de consumo de energia e de componentes são sempre fatores importan-tes a serem considerados em projetos de sistemas digitais, devido, principalmente,a fatores como eficiência e custo. Neste sentido, em projetos que necessitam de aci-onamento de vários displays, é comum a utilização de uma técnica conhecida comomultiplexação de displays [SM06a].

Esta técnica permite que apenas um decodificador de displays possa controlaruma série de displays. Para isso, é explorado o fato que os displays LED são capa-zes de operar em tempos da ordem de nanosegundos. Isto significa que eles podemoperar num baixo duty cycle (ou fator de forma) com uma alta taxa de amostra-gem, isto é, o sistema pode ativar os displays ciclicamente (acendendo e apagando),aproveitando a característica do olho humano de detectar apenas os “picos” de bri-lho [Hig].

Desta forma, no projeto do circuito, os displays são ciclicamente acesos e apaga-dos numa frequência conveniente de tal forma que, para o olho humano, todos osdisplays permanecem durante todo o tempo acesos. Existem diversas estratégiaspara realizar esta tarefa, a escolha da melhor depende de cada problema específico.Um exemplo de estratégia está apresentada na Figura 5.6.

Neste projeto, deseja-se mostrar em dois displays de sete segmentos os dígitosde unidade e de dezena de uma grandeza qualquer, por exemplo a temperaturanuma sala. Deve-se utilizar no projeto um multiplexador para acionar dois dis-

plays de sete segmentos alternadamente, utilizando apenas um conversor BCD-7segmentos. Tenha em mente, conforme exposto acima, que os displays não necessa-riamente precisam estar ativos todo o tempo, podendo ser ligados e desligados comuma certa frequência (acima de 100 Hz), de modo que o olho humano não consiganotar esse chaveamento [Hig].

O funcionamento do circuito deve ser o seguinte: têm-se como entradas doisdígitos BCD (A e B), que devem ser mostrados em dois displays de 7 segmentos.Considere o dígito A como sendo o mais significativo. Um sinal de onda quadradaseleciona quando cada dígito é mostrado em seu respectivo display: quando a ondaquadrada está em nível lógico 1, é mostrado o dígito A (e o display B é desligado);quando a onda quadrada está em nível lógico 0, é mostrado o dígito B (e o display

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Page 77: Apostila Labsd1 Full 20131

5.4. Roteiro Experimental

Figura 5.6: Diagrama de blocos do projeto. Figura extraída de [Hig].

A é desligado). Note que a onda quadrada deve agir sobre o multiplexador e sobreos displays de maneira simultânea e sincronizada [Hig].

Projete e simule o circuito que implemente essa função a partir do diagrama deblocos da Figura 5.6. Considere que a onda quadrada será proveniente do geradorde funções. Descreva resumidamente o funcionamento do seu circuito.

5.4 Roteiro Experimental

Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 5.3.1.1 e 5.3.1.2. Emtodas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência:

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as com-binações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradasnos displays;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, executea metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não seesqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração;

4. Para o projeto da seção 5.3.1.2, varie a frequência da onda quadrada e veri-fique o comportamento do circuito. Qual a mínima frequência para que osdígitos “pareçam” sempre acesos?

5. Comente esta afirmativa:“o uso da multiplexação afeta no consumo de energiae na luminosidade dos displays”.

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6FLIP-FLOPS

6.1 Objetivos

Estudo de elementos com memória baseados em flip-flops e outros dispositivos cor-relatos.

6.2 Circuitos Lógicos Seqüenciais

6.2.1 Introdução

Os circuitos lógicos implementados até este momento do curso são consideradoscircuitos lógicos combinacionais, porque os níveis lógicos da saída, em qualquerinstante de tempo, dependem apenas dos níveis lógicos presentes nas entradasnos mesmos instantes de tempo. Quaisquer condições de entrada anteriores nãotêm efeito sobre as saídas atuais, porque o circuito lógico combinacional não possuimemória. No entanto, a maioria dos sistemas digitais é constituída de circuitoscombinacionais e de elementos de memória.

Os circuitos com memória são conhecidos como circuitos sequenciais e apresen-tam as saídas dependentes das variáveis de entrada e/ou de seus estados anterioresque permanecem armazenados. A Figura 6.1 mostra um diagrama em blocos de umsistema digital geral que reúne portas lógicas combinacionais com dispositivos dememória.

O elemento de memória mais importante é o flip-flop (FF), que é implementadoa partir de portas lógicas. Embora uma porta lógica, por si só, não tenha capacidadede armazenamento, algumas delas podem ser conectadas de tal forma que permitao armazenamento de informação.

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6. FLIP-FLOPS

Figura 6.1: Diagrama de blocos geral de um sistema digital.

6.2.2 O Latch

O circuito mais simples de um FF pode ser construído a partir de duas portasNAND ou duas portas NOR, conforme mostrado na Figura 6.2. O latch, assimcomo o FF, é um dispositivo de armazenamento temporário que tem dois estadosestáveis (biestável). A principal diferença entre o latch e o FF é o método utilizadopara a mudança de estado. O funcionamento básico de um latch NAND pode serdescrito como segue:

• SET = RESET = 1. Condição de repouso e não tem efeito sobre o estado dasaída, ou seja, a saída é mantida no estado anterior.

• SET = 0 e RESET = 1. Essa condição faz a saída ir para o estado em que Q = 1,em que permanecerá mesmo que a entrada SET retorne para o nível ALTO.Essa é a operação de setar o latch.

• SET = 1 e RESET = 0. Essa condição sempre gera um estado de saída em queQ = 0, no qual permanece mesmo após a entrada RESET retornar para nívelALTO. Essa operação é de limpar ou “resetar” o latch.

A análise do funcionamento do latch NOR pode ser feita de forma análoga ao latch

NAND. A principal diferença entre essas duas configurações é que no latch NOR asentradas de SET e RESET são ativas em nível lógico ALTO, em vez de ativas emnível BAIXO. Desta forma, o estado de repouso é SET = RESET = 0.

6.2.3 O Flip-Flop com clock

Os sistemas digitais podem operar tanto no modo assíncrono quanto no síncrono.Nos sistemas assíncronos, as saídas de circuitos lógicos podem mudar de estado a

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Page 81: Apostila Labsd1 Full 20131

6.2. Circuitos Lógicos Seqüenciais

Figura 6.2: Latch com portas NAND e com portas NOR.

qualquer momento em uma ou mais entradas mudarem de estado. Tanto o projetoquanto a análise de defeitos nesses sistemas são mais difíceis.

Em sistemas síncronos, os momentos exatos em que uma saída qualquer podemudar de estado, são determinados por um sinal normalmente denominado clock

ou relógio. Este sinal de clock é geralmente um trem de pulsos retangulares ouuma onda quadrada. Vários tipos de FFs com clock são usados em um grandenúmero de aplicações. As principais características comuns a esses FFs são:

1. FFs com clock têm uma entrada de clock denominada CLK, CK ou CP, con-forme mostrado na Figura 6.3 . Na maioria dos FFs com clock a entradaCLK é disparada por borda, o que significa que essa entrada é ativada pelatransição do sinal de clock.

2. FFs com clock também tem uma ou mais entradas de controle que podem tervários nomes, dependendo do seu funcionamento. As entradas de controle nãoterão efeitos sobre a saída até que uma transição ativa do clock ocorra.

3. Resumindo, pode-se dizer que as entradas de controle deixam as saídas do FFprontas para mudar de estado, enquanto a transição ativa do clock é que defato dispara essa mudança.

São vários os tipos de FFs existentes. Na próxima seção (seção 6.3.1) desterelatório será solicitado ao aluno para fazer um breve pesquisa bibliográfica paradescrever cada uma dessas configurações.

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Page 82: Apostila Labsd1 Full 20131

6. FLIP-FLOPS

Figura 6.3: Diagrama de blocos de um FF.

6.3 Pré-Relatório

6.3.1 Pesquisa Bibliográfica

Procure na literatura as diferentes configurações existentes de FFs. Em cada casoprocure descrever de forma sucinta suas características e problemas. Descrevatambém quais são as diferenças existentes em um FF e um latch.

6.3.2 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

6.3.2.1 Projeto e Simulação 1

Projete e simule um flip-flop JK disparado por borda de subida. Utilize apenasportas lógicas em seu projeto. Em seguida, altere seu projeto para que seu FFseja disparado por borda de descida. E se fosse desejado que o FF fosse disparadopor borda de subida e descida de acordo com uma entrada de controle SEL? Como

80

Page 83: Apostila Labsd1 Full 20131

6.4. Roteiro Experimental

ficaria o projeto?. Em todos os caso, utilize LEDs nas saídas para indicar o nívellógico.

6.3.2.2 Projeto e Simulação 2

Um registrador de deslocamento é um grupo de FFs organizados de modo que os nú-meros binários armazenados nos FFs sejam deslocados de um FF para o seguintea cada pulso de clock. Esses registradores são muito comuns em calculadoras ele-trônica, você já deve ter reparado que nesses dispositivos os dígitos mostrados nosdisplays são deslocados cada vez que você tecla um novo dígito.

Assim, projete e simule um registrador de deslocamento de 4 bits. Utilize umachave para gerar os pulsos de clock. Você tem liberdade para escolher o tipo de FFa ser utilizado. As saídas do registrador devem ser ligadas a um display de setesegmentos de forma a visualizar os dados. armazenados.

6.3.2.3 Projeto e Simulação 3

Projete um divisor de frequência que divida o sinal de entrada por 8. Considereque o sinal de clock seja proveniente de um gerador de funções. Você tem liberdadepara escolher o tipo de FF a ser utilizado.

6.4 Roteiro Experimental

Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 6.3.2.1, 6.3.2.2 e6.3.2.2. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência:

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as com-binações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradasnos displays e/ou LEDs;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, executea metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não seesqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração;

4. Para a montagem do circuito da seção 6.3.2.3 utilize na entrada de clock umsinal de 1 kHz utilizando o gerador de funções. Com o auxílio do osciloscópiovisualize as formas de onda de entrada e das saídas nos diferentes estágiosda divisão. Anote as formas de onda observadas nos gabaritos existentes nofinal deste roteiro e obtenha, em cada caso, a frequência do sinal.

5. Responda as seguintes questões:

• Liste os possíveis problemas existentes no circuito projetado na Seção6.3.2.2.

• Existe algum requisito dinâmico dos CIs que precisam ser consideradosno projeto da seção 6.3.2.2? Quais? Explique.

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6. FLIP-FLOPS

timeDiv :

5ms/div

Channel A :

1 V/div

Channel B :

1 V/div

XY

OFF

OffsetB

0

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0

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0

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EX

PE

RI

ME

NT

O

7CIRCUITOS CONTADORES

SÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS

7.1 Objetivos

Familiarização com projeto e montagem de circuitos contadores síncronos e assín-cronos.

7.2 Circuitos Contadores

7.2.1 Introdução

Um contador eletrônico é provavelmente um dos mais úteis e versáteis subsistemasnum sistema digital. Graças às diversas versões disponíveis podem ser utilizados,por exemplo, para contagens diversas, divisão de frequência, medição de intervalode tempo e frequência, geração de formas de onda, e, até mesmo, para converterinformações analógicas em digitais. Um contador digital é um circuito sequencial,configurado de tal modo que para cada estado presente nas saídas dos flip-flops,existe um estado seguinte bem definido. Durante a operação de contagem, o conta-dor desloca-se de um estado para o outro de acordo com uma sequência especificada.

É possível identificar uma característica que classifica os contadores, de formaampla, em duas categorias: síncronos e assíncronos. Há, entretanto, vários outrosaspectos a serem considerados. Assim sendo, dentro de cada uma das duas cate-gorias, é ainda possível classificar os contadores em função do número de estados(módulo), do número de saídas (bits), do tipo de sequência gerada (binária, decimal,código de Gray, etc) ou do tipo de operação: fixa ou selecionável.

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Page 86: Apostila Labsd1 Full 20131

7. CIRCUITOS CONTADORES SÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS

7.2.2 Contador Assíncrono

A Figura 7.1 mostra o circuito de um contador binário de quatro bits. A seguir édescrito, resumidamente, o funcionamento deste circuito [TWM07]:

• Os pulsos de clock são aplicados apenas na entrada CLK do FF. Assim, o FFA comutará cada vez que ocorrer uma borda de descida no pulso de clock.Observe que J = K = 1 para todos os FFs.

• A saída normal do FF A funciona como clock de entrada para o FF B, sendoque este FF comuta a cada vez que a saída A muda de 1 para 0. Da mesmaforma, o FF C comuta quando B muda de 1 para 0, e o FF D muda de 1 para0.

• As saídas do FFs D, C, B e A representam um número binário de quatrobits, sendo D o MSB. Considerando que todos os FFs tenham sido “resetados”para o estado 0, as formas de onda mostradas na Figura ?? mostram que umcontagem binária sequencial de 0000 a 1111 é seguida à medida que os pulsosde clock são aplicados continuamente.

• Após a borda de descida do décimo quinto pulso de clock, os FFs do contadorestão na condição 1111. Na décima sexta borda de descida do clock, o FF Amuda de 1 para 0, fazendo o FF B mude de 1 para 0, e assim por diante atéque o contador chegue ao estado 0000. Em outras palavras o contador realizouum ciclo completo de contagem (de 0000 a 1111) e retornou ao estado 0000, apartir de onde começará um novo ciclo de contagem à medida que os pulsossubsequentes de clock forem aplicados.

Conforme descrito, neste contador, a saída de cada FF aciona a entrada de clockdo FF seguinte. Esse tipo de contador é chamado de contador assíncrono porqueos FFs não mudam de estado exatamente com o mesmo sincronismo com que ospulsos de clock são aplicados; apenas o FF A responde aos pulsos de clock. Estetipo de contador também é denominado de contador ondulante (ripple counter)devido à maneira de os FFs responderem um após o outro como um tipo de efeitode ondulação.

Os contadores ondulantes são o tipo mais simples de contadores binários, vistoque requerem poucos componentes para produzir a operação de contagem desejada.Entretanto, eles têm uma grande desvantagem, causada pelo seu princípio básicode operação. Na seção 7.3.1 será solicitado ao aluno para pesquisar e descreversobre essa desvantagem.

7.2.3 Módulo Contador

O valor do módulo contador indica o número de estados da sequência de contagem,isto é, o número de estados que o contador percorre em cada ciclo completo de con-tagem até retornar ao estado inicial. Por exemplo, no circuito contador mostradona Figura 7.3 tem 16 estados distintos (de 0000 a 1111). Assim, ele é um contadorondulante de módulo 16.

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Page 87: Apostila Labsd1 Full 20131

7.2. Circuitos Contadores

Figura 7.1: Contador assíncrono de quatro bits.

7.2.4 Diagrama de transição de estados

É uma forma de mostrar como os estados dos FFs mudam a cada pulso de clock apli-cado. As setas que conectam um círculo ao outro mostram como ocorre a mudança

Figura 7.2: Diagrama de transição de estados.

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Page 88: Apostila Labsd1 Full 20131

7. CIRCUITOS CONTADORES SÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS

de um estado para outro, conforme os pulsos de clock são aplicados. Observandoum estado de um círculo em particular, vemos qual é o estado anterior e o posterior.

7.2.5 Contador Síncrono

Conforme mencionado, os contadores assíncronos apresentam alguns problemasdecorrentes do seu princípio básico de funcionamento. As limitações observadasnesses circuitos podem ser superadas com o uso de contadores síncronos ou parale-los nos quais os FFs são disparados simultaneamente (em paralelo) pelos pulsos declock de entrada. No entanto, visto que os pulsos de clock de entrada são aplicadosem todos os FFs, algum recurso precisa ser utilizado para controlar o momento queum FF deve alterar estado lógico. Desta forma, em um contador síncrono existeuma parte combinacional nas entradas de cada FF para controlar os momentos detransição.

A Figura 7.3 mostra um exemplo de contador síncrono. Se compararmos essaconfiguração com o seu correspondente assíncrono da Figura 7.1 temos as seguintesdiferenças [TWM07]:

• As entradas CLK de todos os FFs estão conectadas juntas, de modo que o sinalde clock é aplicado simultaneamente em cada FF.

• Apenas o FF A tem suas entradas J e K ligadas de forma permanente emnível lógico alto.

• O contador síncrono requer um circuito maior do que o contador assíncrono.

Figura 7.3: Contador síncrono de módulo 16.

Uma análise detalhada do circuito da Figura 7.3 nos permite concluir que o prin-cípio básico para a construção de um contador síncrono pode ser enunciado da se-guinte forma: Cada FF deve ter suas entradas J e K conectadas de modo

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Page 89: Apostila Labsd1 Full 20131

7.3. Pré-Relatório

que elas estejam no nível lógico ALTO apenas quando as saídas de todosos FFs de mais baixa ordem estiveram no estado ALTO.

Em quase todas as aplicações de contadores, as variáveis de estado, ou simples-mente estados, são consideradas como saídas. As saídas do contador podem sercodificadas de várias formas: binária, BCD, Gray, etc. Esse código e o modulo docontador determinam como serão os blocos combinatórios do próximo estado e dasaída, bem como o numero de flip-flops a ser utilizado.

7.2.6 Projeto de contadores Síncronos e Assíncronos

Na seção 7.3.1 será solicitado ao aluno realizar um resumo do procedimento paraelaboração de projetos de circuitos contadores síncronos e assíncronos.

7.3 Pré-Relatório

7.3.1 Pesquisa Bibliográfica

Realize pesquisas bibliográficas e procure responder as questões abaixo:

1. Quais são os principais problemas existentes nos contadores assíncronos?Descreva cada um deles de forma resumida.

2. Cite as vantagens dos contadores síncronos em relação aos contadores assín-cronos.

3. Realize um resumo do procedimento para a realização de projeto de circuitoscontadores síncronos e assíncronos. Procure deixar bem claro as diferençasno procedimento nos dois tipos de circuitos.

4. Como os circuitos contadores se inserem nos processadores existentes, princi-palmente, nos computadores e calculadoras?

5. Descreva aplicações práticas que utilizam os circuitos contadores.

7.3.2 Projetos e Simulações

Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos comtodas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambémo arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do profes-sor).

Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-quemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessáriaspara perfeita compreensão do projeto realizado.

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Page 90: Apostila Labsd1 Full 20131

7. CIRCUITOS CONTADORES SÍNCRONOS E ASSÍNCRONOS

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de“metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processode depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaçãodo circuito na protoboard.

7.3.2.1 Projeto e Simulação 1

Projete e simule um contador síncrono crescente/decrescente de módulo 10. Umavariável de entrada adicional UP/Down deve ser adicionada ao circuito para per-mitir selecionar o modo de contagem. Considere que se UP/Down = 1 o contadorrealiza a contagem crescente, e se UP/Down = 0 o contador realiza a contagemdecrescente. As saídas do contador devem ser visualizadas em um display de 7 seg-mentos. Considere que o sinal de clock será obtido através do gerador de funções.

Em seguida, altere seu projeto substituindo o contador síncrono por um conta-dor assíncrono. Faça uma análise comparativa entre os dois projetos, destacandoas vantagens e desvantagens de cada um.

Com base no manual do fabricante dos CIs, qual a frequência máxima de ope-ração dos contadores? (OBS - lembre que nos contadores assíncronos, amáxima frequência de operação depende não só dos parâmetros dos flip-flops, mas também do número de bits). Qual deve ser o efeito esperado de setrabalhar em uma frequência acima da especificada?

7.3.2.2 Projeto e Simulação 2

Projete e simule um contador síncrono usando FFs J-K que tenha a seguinte sequên-cia: 000, 010, 101, 110 e repete. Os estados indesejáveis (não usados) devem levaro contador sempre para o estado 000 no próximo pulso de clock. Além disso, seucircuito deve conter uma lógica que permite definir o estado inicial da contagem,ou seja, deve permitir selecionar um dos estados 000, 010, 101 ou 110 como estadoinicial ao energizar o circuito. As saídas do contador devem ser visualizadas emum display de 7 segmentos e considere que o sinal de clock será obtido através dogerador de funções.

7.3.2.3 Projeto e Simulação 3

Altere o seu projeto anterior considerando que agora os estados indesejados devemlevar o contador a executar sempre a seguinte sequência 001, 011, 100, 111, 000antes de retornar para a contagem normal. Simule o seu projeto alterado.

7.4 Roteiro Experimental

Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 7.3.2.1, 7.3.2.2 e7.3.2.3. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência:

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

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7.4. Roteiro Experimental

2. Utilize o gerador de funções para gerar o sinal de clock. Selecione um valorde frequência adequado que seja possível visualizar a sequência de contagemno display de 7 segmentos.

3. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as com-binações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradasno display de 7 segmentos;

4. Para a montagem dos circuitos das seções 7.3.2.2 e 7.3.2.3 altere o estadoinicial da contagem e verifique se o circuito responde adequadamente. Emseguida, inicie a sequência com um estado indesejado e verifique o funciona-mento.

5. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, executea metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não seesqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração;

6. Aumente a frequência do sinal de clock e descreva os efeitos observados. Oque acontece se você aumentar a frequência do sinal de clock acima do valormáximo teórico calculado anteriormente?

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Parte III

Projetos Finais

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IREGRAS GERAIS

I.1 Introdução

Esse documento descreve os projetos finais que devem ser realizados pelos alunosde laboratório da disciplina de Sistemas Digitais I. O objetivo do trabalho finalé o de fomentar a integração dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso epropiciar maior experiência na elaboração de projetos na área de eletrônica digital.

Os projetos devem ser realizados em duplas e entregues na data especificadapelo professor. Nas próximas Seções deste documento serão descritas as especi-ficações dos temas propostos. Cada dupla deverá escolher e realizar apenas umdos projetos. O trabalho somente pode ser realizado pela dupla de alunos formadano início do semestre, ou por um único integrante: é vedada a participação detrios. Caso um integrante da dupla desista do curso ao longo do semestre, o alunoremanescente deve procurar um outro colega que esteja na mesma situação ou re-alizar o trabalho sozinho. Se este for o seu caso, avise o professor de sua turma delaboratório.

Os projetos deverão ser implementados em protoboard e todas as especificaçõesdescritas devem ser cumpridas. A falta de qualquer especificação implicará naperda de pontos na nota final do trabalho. Antes da implementação do circuitoem protoboard os alunos deverão realizar a simulação do circuito projetado paraverificar se o projeto está adequado.

Adicionalmente, os alunos devem preparar um relatório descrevendo, em de-talhes, o processo de desenvolvimento do projeto. Neste documento devem estardescritos todos os passos relevantes para implementação do projeto. As etapasmínimas do desenvolvimento do projeto envolvem:

• Descrição do funcionamento do circuito em diagrama de blocos, destacando asvariáveis de entrada e saída;

• Elaboração da(s) tabela(s) verdade do circuito;

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I. REGRAS GERAIS

• Processo de simplificação do circuito;

• Expressão lógica final e diagrama esquemático do circuito;

• Simulação do circuito em software adequado;

• Lista de materiais necessários para a montagem;

• Processo de montagem;

• Metodologia de testes, operação e depuração de erros;

• Discussões;

• Conclusões.

Por fim, os alunos devem preparar uma apresentação de no máximo 5 minutos,apresentando os pontos principais do projeto e as maiores dificuldades encontradas.Após o tempo de apresentação o professor (ou uma banca de professores) terá 5minutos para realizar perguntas a respeito dos projetos.

Os alunos deverão verificar antecipadamente com os técnicos de apoio do labo-ratório a disponibilidade dos materiais necessários para a montagem. Caso nãotenha disponível algum material é de responsabilidade do aluno obtê-lo ou refazero projeto buscando alternativas para contornar o problema. Lembre-se, na sua vidaprofissional, nem sempre você terá todos os componentes necessários para executarum determinado projeto.

Qualquer dúvida sobre os temas propostos e/ou sobre a realização dos projetosdevem ser sanadas, antecipadamente, com o seu professor de laboratório.

I.2 Sobre os Temas de Projeto

Neste semestre, a dupla poderá:

1. Optar por um dos quatro temas expostos na Parte II deste documento;

2. Propor uma idéia de projeto para o professor de laboratório. A proposta deveser encaminhada para avaliação do professor com antecedência de pelo menosum mês antes do final das aulas. A resposta da avaliação pode ser de trêstipos:

• Idéia aprovada sem modificações;

• Idéia aprovada com modificações indicadas pelo professor. Neste caso, oprojeto original deve ser alterado para atendar às especificações impostaspelo professor.

• Idéia reprovada.

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I.3. Documentos Esperados

I.3 Documentos Esperados

O projeto escolhido deve estar documentado da seguinte forma:

• Um relatório impresso do projeto, nos moldes descritos na Seção I e de acordocom as regras descritas para elaboração dos relatórios dos experimentos (veritem 1.3 da Apostila). Neste documento, todos os diagramas de blocos e es-quemáticos devem estar presentes e devidamente identificados. Não serãoaceitos documentos manuscritos.

• Um conjunto de no máximo 15 slides, descrevendo o trabalho realizado. Nãoé preciso imprimir os slides.

• Todos os arquivos eletrônicos correspondentes os esquemáticos e simulaçõessimulações do projeto.

O conjunto dos três documentos deve ser compactado e enviado ao e-mail do pro-fessor, no mais tardar, um dia antes da data da apresentação do projeto. O arquivoserá identificado da seguinte forma: XX YY aluno1 aluno2.zip, ode XX é a turma eYY a opção de tema.

Exemplo: Fulano e Sicrano da Turma TT optaram pela opção de projeto 1 (ULA).O arquivo a ser enviado será TT 1 fulano sicrano.zip.

No caso de projeto ser de tema livre, o campo YY deve ser “LL”.

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PR

OJ

ET

O

1ULA

1.1 Introdução

Nesta opção, o projeto é de uma Unidade Lógico-Aritmética (ULA) simples. UmaULA é um circuito responsável por realizar operações aritméticas e lógicas em umsistema digital, onde a operação que deve ser executada é determinada por sinaisde controle externos. Uma representação simplificada de uma ULA está apresen-tada na Figura 1.1, onde A e B são os dados (ou operandos) sobre os quais serárealizada uma operação. Como há várias opções para as operações, há uma seleçãode qual deve ser a operação, indicada pela entrada S. O resultado da operação éapresentado na saída da ULA.

Saída

S

A B

ULA

Figura 1.1: Esquema simplificado de uma ULA.

1.2 Projeto Básico

A ULA projetada deve possuir as seguintes características funcionais:

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1. ULA

Comprimento dos operandos: três bits (A0 A1 A2 e B0 B1 B2).

Tipos de operação: há dois tipos de operação - com um e com dois operandos,totalizando oito operações possíveis para a ULA projetada. As operações comdois operandos são: soma, subtração, multiplicação, divisão, AND, OR, e XOR.A operação com um único operando é NOT. Em todos os casos, os operandossão números positivos entre 0 e 7. Para as operações lógicas, o resultado é daoperação lógica feita bit a bit. No caso específico da divisão, o segundo displaydeve informar o resto da divisão. Exemplos de resultados para as operaçõesestão na Tabela 1.1.

Entrada de Dados: há duas entradas: uma para os operandos e outra para se-lecionar a operação. No caso de operações dois operandos, eles devem serinseridos de maneira sequencial, como em uma calculadora simples.

Saída de Dados: os operandos, assim como o resultado das operações, devem serapresentados em displays de sete segmentos.

No seu projeto, deixe claro quais os resultados para várias possibilidades deentrada e saída (isto é, elabore um manual de instruções de uso do seu circuito).

1.3 Exemplos de Funcionamento

Na Tabela 1.1, apresentam-se alguns resultados esperados para as operações lógico-aritméticas da ULA a ser projetada.

Tabela 1.1: Exemplos de operações a serem realizadas pela ULA.

Operação (OP) A B A OP B Display+ 011 001 100 04x 111 101 100101 35- 100 010 010 2÷ 101 011 001 12÷ 110 010 011 30

AND 011 101 001 01OR 011 101 111 07

XOR 011 101 110 06NOT 000 NA 111 07

1.4 Desafios Adicionais

• Aprimore a ULA para contemplar números negativos representados em com-plemento de dois (+2 pontos);

• Aprimore a ULA para apresentar o resultado da divisão com uma casa deci-mal (+2 pontos);

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1.4. Desafios Adicionais

• Aprimore a Saída de Dados para visualizar simultaneamente os operandos, aoperação e o resultado da operação (+2 pontos);

• Aprimore a Entrada de Dados para contemplar um teclado com 16 teclas (8números, 8 operações). Para números negativos, insira uma tecla a mais parao sinal (+2 pontos).

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PR

OJ

ET

O

2GERADOR DE ONDA QUADRADA

PROGRAMÁVEL

2.1 Projeto Básico

Este projeto deve gerar uma onda quadrada de frequência programável (configurá-vel), com as seguintes características funcionais:

Número de frequências possíveis: 64, igualmente espaçadas;

Entrada de Dados: chaves (ou teclado) para informar qual das 64 possibilidadesde frequência será gerada na saída; um sinal START/STOP, para iniciar eterminar a geração da onda.

Saída de Dados: dois displays indicando a opção de frequência; um ponto de ex-tração para o sinal de onda quadrada; dois LEDs (verde, indicando que a ondaestá sendo gerada; vermelho, indicando que não há saída naquele momento),de acordo com a Figura 2.1.

Sinal de Referência: este é um sinal externo (por exemplo, proveniente do gera-dor de funções), a partir do qual a sua frequência será subdividida em umadas 64 opções.

A saída deve ser uma onda quadrada, com ciclo de trabalho de 50% e com níveisde tensão de 0 V para o nível baixo e de 5 V para o nível alto. Para verificar ofuncionamento correto do circuito, o sinal de saída terá sua frequência medida cominstrumentos de bancada.

2.2 Desafios Adicionais

• Aprimore a Entrada de Dados para contemplar um teclado (+2 pontos);

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Page 104: Apostila Labsd1 Full 20131

2. GERADOR DE ONDA QUADRADA PROGRAMÁVEL

• Aprimore a Saída de Dados para visualizar a opção de frequência e tambéma frequência (em Hz) do sinal de saída (+3 pontos);

Ref.

Sel. Freq.

ON/OFF

Displays

Sinal

OFF

ONGerador de

Onda

Quadrada

Figura 2.1: Diagrama simplificado do gerador de sinais.

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PR

OJ

ET

O

3TESTADOR DE CIS

3.1 Projeto Básico

Neste projeto, será realizado um testador de CIs, com as seguintes características:

CIs testáveis: aceita quatro membros de CIs: ’00 (NAND), ’08 (AND), ’32 (OR) e’86 (XOR);

Entrada de Dados: uma tecla TESTA, para iniciar o teste; seleção para indicarqual tipo de CI está sob teste, conforme a Figura 3.1

Saída de Dados: dois displays, indicando qual CI está sendo testado; dois LEDs:vermelho (rejeitado) e verde (aprovado). O LED verde só acende se as todasas quatro portas do CI sob teste funcionarem adequadamente.

A funcionalidade do circuito será confrontada com o resultado proveniente do tes-tador de CIs microprocessado disponível no laboratório.

Seleção

Displays

Rejeitado

AprovadoTesta

Figura 3.1: Esquema simplificado do testador de CIs.

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3. TESTADOR DE CIS

3.2 Desafios Adicionais

• Aprimore o projeto para detectar qual CI está sendo testado; o resultado deveser visualizado no display. Especifique claramente qual o resultado a sermostrado no display se a detecção não for conclusiva. Note que não há maischaves na entrada para indicar qual é o CI sob teste (+2 pontos);

• Aprimore o projeto para indicar quantas e quais das quatro portas estão comdefeito (+3 pontos);

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4CONTROLE DE MOTOR DE PASSO

4.1 Introdução

Os motores elétricos são dispositivos eletromecânicos que transformam energia elé-trica em movimento rotativo por meio de ímãs e indutores em seu interior. Atual-mente existem vários modelos diferentes de motores elétricos, os mais difundidossão os motores de corrente contínua (CC ou DC), os de corrente alternada (CA ouAC), os servomotores e os motores de passo. A escolha de cada um deles dependeda aplicação e do custo envolvido.

Nas aplicações onde é necessário um deslocamento angular ou linear para posi-cionar com precisão determinados componentes o motor de passo é o mais recomen-dado. No entanto, é possível utilizar qualquer outro tipo de motor para executareste tipo de tarefa, porém é difícil determinar a posição exata do componente oupeça do mecanismo, a menos que se utilizem sensores de posição, codificadores, ser-vos e sistemas de comando, o que torna o projeto mais complexo e, muitas vezes,mais caro.

O motor de passo converte pulsos em deslocamentos angulares precisos. A cadapulso, o eixo do motor se desloca por um ângulo preciso (passo) e permanece estávelnessa posição se mais nenhum pulso for enviado. Aplicando uma série de pulsos,pode-se obter-se o deslocamento angular desejado. Se a série de pulsos não termi-nar, o eixo vai continuar girando constantemente com uma velocidade proporcionalà frequência dos pulsos.

Os motores de passo são muito utilizados nos periféricos para os computadores(scanners, discos rígidos, impressoras, etc), bem como nas cameras de vídeo, robó-tica, etc.

No seu interior há estatores formados por bobinas que geram, quando percorri-dos por uma corrente elétrica, o campo magnético necessário para o movimento dorotor, que é construído com ímãs permanentes confeccionados de acordo com o nú-mero de passos. Essa rotação é controlada por meio de um circuito externo que pro-

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4. CONTROLE DE MOTOR DE PASSO

move a oscilação do sinal que percorrerá os pares de estatores e, por isso, não podeser conectado diretamente à alimentação, pois desse modo não haveria a pulsaçãonecessária para que o motor possa girar. Em outras palavras, os enrolamentos den-tro do motor devem ser energizados e desenergizados em uma sequência específicapara produzir movimento em passos discretos. Os sinais digitais são normalmenteusados para controlar a corrente em cada enrolamento do motor.

Figura 4.1: Ilustração do acionamento das bobinas de um motor de passo.

Como a maioria dos CI’s digitais CMOS e TTL, e até mesmo os microcontrola-dores atuais, não possuem capacidade de fornecer correntes elevadas é necessárioum driver de potência para fazer o interfaceamento entre as saídas digitais e oscircuitos indutivos do motor. Sem esse driver de potência, mesmo que os pulsosdigitais sejam aplicados corretamente ao motor ele não irá funcionar, por não terenergia suficiente para girar o seu eixo.

4.2 Projeto Básico

Considerando as informações expostas acima, projete um sistema digital que rea-lize o controle e acionamento de um motor de passo. O circuito projetado deverápermitir que o motor gire nos dois sentidos (horário e anti-horário) conforme umachave seletora S, ou seja, quando S = 0 o motor deverá girar no sentido horário, masquando S = 1, o motor deverá girar no sentido anti-horário. Além disso, o circuitoprojetado deverá permitir que o usuário selecione duas diferentes velocidades, 600RPM ou 3000 RPM, de acordo com a chave V, ou seja, quando V = 0, a velocidadedeverá ser de 600 RPM, mas quando V = 1 a velocidade deverá ser de 3000 RPM.Considere em seu projeto que um sinal de relógio externo de 100 Hz deve ser usadopara gerar os sinais internos de controle do circuito.

Informações extras:

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4.3. Desafio Adicional

1. Utilize apenas CI’s TTL ou CMOS em seu projeto;

2. O motor de passo a ser utilizado na parte experimental estará disponível nolaboratório com os técnicos. Para utilizá-lo o aluno deverá agendar previa-mente um horário e não poderá levá-lo para casa em hipótese nenhuma.

3. O motor de passo disponível no laboratório já possui um driver de potênciapara seu acionamento. Portanto, o aluno não precisará projetar o driver deacionamento.

4. É de responsabilidade do aluno levantar experimentalmente a seqüencia cor-reta de pulsos para acionamento do motor de passo. Para isso, deverá ser ela-borado um procedimento experimental detalhado antes de ir ao laboratório.Um monitor deverá estar presente acompanhando todos os passos. A tensãomáxima de alimentação do driver/motor é de 5V e os alunos deverão tomarmuito cuidado nas montagens para não exceder esse valor. Qualquer dúvidana montagem/utilização deverá ser consultado o professor/monitor/técnico.

5. O relatório final deverá conter o procedimento experimental elaborado paradeterminação da seqüencia de pulsos correta para o acionamento do motor depasso e também os resultados obtidos.

4.3 Desafio Adicional

Adicione ao seu projeto um circuito que permita que o eixo do motor “pare” preci-samente em uma determinada posição angular especificada pelo usuário de acordocom duas chaves seletoras adicionais A e B, conforme mostrado na tabela abaixo(+2 pontos):

Tabela 4.1: Condição do eixo do motor de passo de acordo com as chaves A e B.

A B Condição do Eixo do motor0 0 Gira livremente (velocidade de rotação definida pelo usuário)0 1 90

1 0 180

1 1 270

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5FREQÜENCÍMETRO

5.1 Introdução

Um freqüencímetro é um circuito que pode medir e mostrar a freqüência de umsinal [TWM07]. A medida da freqüência de um sinal digital periódico pode ser feitade duas formas diferentes [SM11b]. O primeiro método é conhecido como métododa contagem do relógio e consiste na contagem do número de ciclos de relógiodo sistema existente em um período do sinal de entrada. O conceito deste métodopode ser visualizado na Figura 5.1.

Figura 5.1: Método da contagem do relógio. Figura extraída de [SM11b].

Neste método, a medida da freqüência do sinal é obtida indiretamente. Assim,é preciso utilizar a seguinte relação:

fent =freqüência do sinal de relógio do sistema

contagem de ciclos(5.1)

O segundo método é conhecido como método da contagem do sinal de en-trada e envolve a contagem do número de ciclos do sinal de entrada ou do númerode bordas de subida que ocorrem durante uma janela de duração pré-estabelecida,

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5. FREQÜENCÍMETRO

e apresenta diretamente a freqüência do sinal. A Figura 5.2 ilustra os conceitosenvolvidos. Se for utilizada uma janela de tempo com duração exata de 1 segundo,a contagem de ciclos é numericamente igual à freqüência do sinal de entrada emHertz.

fent =contagem de ciclosduração da janela

(5.2)

Figura 5.2: Método da contagem do sinal de entrada. Figura extraída de [SM11b].

Contudo esta estratégia de obtenção da freqüência apresenta alguns erros ine-rentes ao método de contagem.

• Erro de precisão do sinal de relógio do sistema: Se a freqüência dorelógio do sistema não for estável, isto fará com que a janela de tempo em queo sinal de entrada é analisado seja afetada. Isto pode levar a uma contagemfinal diferente do valor correto [SM11b].

• Erro de sincronização: Ocorre do fato do início da janela não coincidir comuma borda de subida do sinal de entrada. Assim, se a contagem levar emconta a ocorrência de bordas do sinal de entrada, o valor final pode não serigual ao número de períodos contidos na janela de tempo [SM11b].

• Erro de quantização: Ocorre devido ao fato da janela de tempo ser finita[SM11b].

5.2 Projeto Básico

Levando em consideração as informações expostas acima, projete um circuito medi-dor de freqüências de um sinal digital periódico de 1 a 99 Hz com precisão de duascasas decimais. O valor da freqüência medida deve ser mostrado em displays desete segmentos. O sinal de entrada deve ser originado a partir de um gerador depulsos e monitorado através do osciloscópio. Um sinal de relógio externo de 8 Hzdeve ser usado para gerar os sinais internos de controle do circuito. A precisão dosresultados obtidos deve ser independente do operador do circuito.

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5.3. Desafio Adicional

5.3 Desafio Adicional

Apresente nos displays, além da frequência, o período da onda (em milissegundos)(+2 pontos).

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6VERIFICADOR DE SENHAS

6.1 Introdução

O circuito do verificador de senhas 1 a ser projetado é um circuito simplificado deum sistema completo para uso em segurança de bens ou valores. Pode ser usadopara controlar o acesso a depósitos de valores ou documentos sigilosos. O meca-nismo de acesso é baseado na verificação de uma combinação de dígitos de segu-rança.

6.2 Projeto Básico

O circuito deve possuir dois modos de operação: o Modo de Configuração e oModo de Segurança. Estes modos são selecionados através de uma chave nopainel de controle. As outras chaves do painel somente ficam ativas enquanto osistema não estiver bloqueado.

• No Modo de Configuração é feita a programação da combinação de aberturado circuito que consta de 3 dígitos. Cada dígito é selecionado a partir de umtotal de 4 chaves de entrada. Esta combinação deve ficar armazenada namemória do sistema.

• No Modo de Segurança é inserido um código, também constituído de 3 dígitos.Após a entrada deste código, caso haja coincidência com a senha de aberturaprogramada anteriormente, um sinal deve ser enviado ao controle da travapara este ser aberto. Este sinal será representado através de um LED quedeve permanecer aceso enquanto a trava não for aberta.

1Proposta de projeto e texto extraído de [SM06b]

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6. VERIFICADOR DE SENHAS

A entrada das teclas que compõem a combinação deve ser feita seqüencialmente.O pressionamento de uma tecla é simulado através da ativação de uma chave. Achave deve ser desativada para que uma outra tecla seja posteriormente ativada(mesmo que seja o mesmo código).

Após a mudança do modo de operação do circuito, deve-se prever uma reinicia-lização do sistema (RESET). Isto permite que, no modo de configuração, caso sejaefetuado o cadastramento de uma senha inválida, seja possível o recadastramentoda senha com o acionamento do sinal de RESET. Por outro lado, no caso de acio-namento de um dígito inválido no modo de segurança, o usuário pode corrigir aentrada da senha correta, acionando-se o RESET. Isto só será possível durante aentrada dos dois primeiros dígitos da senha, pois o circuito deve bloquear seu fun-cionamento após a entrada do terceiro dígito e se a senha não for correta. Ou seja,caso o usuário não fornecer a senha correta, o circuito deve bloquear seu funcio-namento e não responder a nenhum acionamento de qualquer tecla ou botão (p.ex.RESET, etc).

6.2.1 Detalhamento do verificador de senhas

O aluno tem total liberdade para projetar o circuito da maneira que achar mais con-veniente. No entanto, para auxiliar, a Figura 6.1 apresenta o diagrama de blocoscom um projeto básico do verificador de senhas, onde os blocos envolvidos são:

• CODIFICADOR: codifica cada chave de entrada selecionada em um códigobinário de 2 bits, que indica a chave selecionada;

• MEMÓRIA: armazena a senha cadastrada no Modo de Configuração;

• CONTADOR: fornece o endereço no qual o código da tecla deverá ser armaze-nado ou lido da memória;

• COMPARADOR: compara cada um dos códigos inseridos no Modo de Segu-rança com o código correspondente previamente armazenado na memória;

• UNIDADE DE CONTROLE: controla o funcionamento do circuito do verifica-dor de senhas nos Modos de Configuração e de Segurança.

Os sinais do circuito são os apresentados abaixo, classificados como sinais deentrada, sinais de saída e sinal de controle interno.

1. Sinais de Entrada:

• TECLAS (CH0 a CH3) - chaves que correspondem às teclas de senha;

• CONFIG /SEGURANÇA (CH7) - seleciona o modo de operação do circuito(0 = modo de configuração e 1 = modo de segurança);

• RESET (B1) - inicialização do sistema em cada um dos modos de operação(pulso em nível alto);

• CLOCK - sinal do gerador externo para sincronismo do controle.

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6.3. Desafio Adicional

2. Sinais de Saída:

• MODO (LED 0) - indica o modo de operação do circuito (0 = modo desegurança e 1 = modo de configuração);

• ABRE (LED 1) - quando em nível "zero” indica a abertura do circuito;

• TRAVADO (LED 2) - indica que o circuito está travado/bloqueado.

3. Sinais de Controle Internos:

• TECLA ACIONADA - sinal auxiliar que indica a seleção de uma chavede entrada;

• CÓDIGO - código binário de 2 bits da chave selecionada;

• CONTA - sinal de clock do contador para varredura dos endereços damemória;

• ZERA - sinal para zerar o valor do contador para varredura dos endereçosda memória;

• COMPARAÇÃO - saída do comparador indicando igualdade ou não entreo código cadastrado e o código inserido;

• SINAIS DE CONTROLE DA MEMÓRIA - utilizados para controle deoperações de leitura e gravação de dados na memória.

6.3 Desafio Adicional

Altere o projeto para aceitar até três tentativas de senha errada (a quarta vezdeve necessariamente ser a senha correta), ou o seja, o circuito somente bloqueia ofuncionamento na se a terceira tentativa de inserção de senha falhar. Um display

deve apresentar o número de tentativas restantes (+ 2 pontos).

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6. VERIFICADOR DE SENHAS

Figura 6.1: Diagrama de Blocos do Verificador de Senhas. Figura extraída de[SM06b].

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BIBLIOGRAFIA

[dSS05] Alexandre da Silva Simões. Experimento 03: Projeto e simulação de de-

codificador para display - Apostila de Laboratório de Circuitos Digitais

1. Universidade Estadual Paulista - Campus de Sorocaba, 2005.

[Hig] Ricardo Tokio Higuti. Apostila de Circuitos Digitais I - Experiência 3 -

Multiplexadores e Decodicadores. Universidade Estadual Paulista Júliode Mesquita Filho - Campus Ilha Solteira - Departamento de Engenha-ria Elétrica.

[IC07] Ivan Valeije Idoeta and Francisco Gabriel Capuano. Elementos de Ele-

trônica Digital. Érica, 40ª edition, 2007.

[SM06a] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Multiplexação de Displays -

Apostila do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP).

Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computa-ção e Sistemas Digitais, São Paulo, 2006.

[SM06b] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Verificador de Senhas - Apostila

do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP). EscolaPolitécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação eSistemas Digitais, Escola Politécnica da USP - Departamento de Enge-nharia de Computação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2006.

[SM11a] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Caracterização de Portas Ló-

gicas - Apostila do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP

(EPUSP). Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia deComputação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2011.

[SM11b] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Frequencímetro - Apostila do

Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP). Escola Po-litécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Siste-mas Digitais, Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenhariade Computação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2011.

[SS07] Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. Microeletrônica. Pearson PrenticeHall, 5ª edition, 2007.

[TWM07] Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, and Gregory L. Moss. Sistemas Digitais

- Princípios e Aplicações. Prentice-Hall, 10ª edition, 2007.

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BIBLIOGRAFIA

[Uye02] John P. Uyemura. Sistemas Digitais - Uma abordagem integrada. Pio-neira Thomson Learning, 1 edition, 2002.

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Parte IV

Anexos

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APINAGEM DE CIS 74’XXX

As pinagens a seguir foram extraídas do manual Pocket Data Book da Texas Ins-truments. Este apêndice não substitui a necessidade de o aluno ter o seu próprioconjunto de manuais, onde há especificação detalhada das características estáticase dinâmicas dos CIs.

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A. PINAGEM DE CIS 74’XXX

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BDEPURANDO CIRCUITOS

B.1 Considerações Gerais

Quando o circuito não funciona como esperado, o motivo pode ser dividido em trêsgrupos não exclusivos:

• Erro de projeto.

• Erro na montagem.

• Falha nos componentes.

Analisaremos caso a caso cada um dos grupos.

B.1.1 Erro de projeto

Este erro pode ser evitado se o projeto for testado em um simulador de circuitosdigitais (como o Circuit Maker ou Proteus). O erro de projeto é difícil de encontrare ser corrigido em tempo de sala - especialmente se o circuito for complexo. Por estemotivo é que enfatizamos o trabalho prévio e o teste nos simuladores. Não vá paraa prática sem testar antes o seu projeto.

Para fazer um bom projeto, atente para:

• As especificações: tenha a certeza de que o seu projeto atende ao que foi pe-dido. O entendimento do problema, portanto, é essencial.

• Deixar claro quais são as entradas e saídas do circuito. Esta regra vale tam-bém para cada bloco funcional do projeto. Com esta informação, é possívelfazer um diagrama de blocos claro e objetivo, que pode ser usado como parteda documentação do relatório.

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B. DEPURANDO CIRCUITOS

• Deixar claro qual funcionamento do projeto no caso de especificações impreci-sas ou ambíguas.

B.1.2 Erro na montagem

O erro na montagem provém essencialmente de dois elementos:

• Documentação inadequada: falta de diagrama esquemático, tabelas de cone-xão erradas, pinagem errada.

• Desatenção ou distração: conexões feitas de maneira errada, desorganizaçãoao conferir as ligações, trechos do circuito em curto, entradas em aberto, etc.

Listamos aqui, de maneira não exaustiva, alguns erros comuns na montagemdos circuitos.

• Fonte de alimentação desligada ou desconectada da protoboard;

• Chaves com terminais em curto ou em aberto;

• LEDs polarizados incorretamente;

• CIs sem as conexões de GND e/ou VCC;

• Subseções da protoboard sem “jumpers” (tipicamente nas trilhas de alimenta-ção e terra);

• Identificação errada do CI;

• Fios de conexão quebrados;

• CI invertido (“de cabeça para baixo”).

B.1.3 Falha nos componentes

É possível que um ou mais componentes (CIs, LEDs, chaves, etc.) apresentem falhade operação, incluindo a protoboard. Porém este casos são relativamente raros, Nãoculpe em primeiro momento o componente; muito provavelmente a falha é humana.

B.2 O Processo de Depuração

Não há nada difícil em depurar um circuito. Porém, são necessários uma boa dosede raciocínio lógico e de organização, qualidades importantes em qualquer profissi-onal de engenharia.

O processo como um todo pode levar um bom tempo (às vezes horas) e ser muitofrustrante caso o erro não seja encontrado. Como hipótese de trabalho, o cir-cuito não pode ter erros de projeto (ou seja, funcionou perfeitamente no si-mulador).

Como regras gerais:

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B.2. O Processo de Depuração

• Vá montando e testando. Muitos alunos montam todo o circuito para de-pois testar. Em circuitos complexos, isto torna o processo de depuração muitotrabalhoso. Neste caso, você estará começando a montagem e inspeção pelasentradas, indo em direção à saída.

• No caso de montar tudo para depois depurar, pode ser mais rápido co-meçar da saída: identifique o problema (ou seja, bit de saída errado), e comecea procurar a fonte imediata do problema: cheque o LED, a saída do CI, e even-tualmente entradas do chip que geram as saídas incorretas. Se o problemaainda persistir, verifique o CI que produziu as entradas incorretas, até encon-trar o ponto de falha.

• Regra do “mudou, testou”. Após a realizar uma alteração no circuito, testenovamente o funcionamento do bloco que acabou de ser depurado. Anoteo que foi alterado (você pode esquecer que já fez), ou seja, documente osprocedimentos executados.

• Confie no multímetro. Não fique olhando se o LED está aceso ou não parasaber se o circuito funciona ou não. No processo de depuração, utilize in-tensivamente o multímetro para verificar o estado de cada sinal. Ao usar omultímetro, encoste sempre a ponta de prova no pino do CI, e não nos furosda protoboard. Com isso, consegue-se detectar problemas como trilhas comdefeitos ou pinos mal encaixados.

• Verifique as falhas óbvias: conexão à fonte, trilhas de alimentação e terra,polarização dos LEDs. Isto deve ser rápido. Uma boa parte dos problemasestá ligada a conexões erradas de VCC e GND.

• Teste cada bloco funcional individualmente, depois em conjunto. Nesteponto, é importante ter em mente a divisão do projeto em blocos funcionais,com as entradas e saídas de cada bloco bem explicitadas. Nesta etapa, veri-fique se as saídas estão no nível lógico esperado para cada combinação dossinais de entrada.

• Tensões na zona proibida. Caso o CI apresente uma tensão em torno de2.5 V, a saída está em nível lógico indefinido. As causas típicas são:

– Falta de alimentação e/ou terra no CI;

– Conexão entre as saídas de duas portas lógicas diferentes. Neste caso, senão houvesse a conexão, uma das saídas estaria em nível 0, enquanto aoutra poderia estar em 1. Como estão conectadas, há uma inconsistênciade valores;

– Sinal de “enable” desabilitado;

– CI com defeito. Se possível, use outra porta - por exemplo, a ’00 tem 4portas NAND. A escolha comum é usar os pinos 1, 2 e 3. Experimente 4,5 e 6, ou simplesmente as portas do outro lado do CI.

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B. DEPURANDO CIRCUITOS

• Verifique a compatibilidade entre CIs. Nem sempre é possível conectarCIs de famílias diferentes (exemplo: de TTL para HC). Para os experimentosem sala de laboratório, prefira sempre usar CIs da mesma família.

B.2.1 Boas práticas de montagem e uso da protoboard

• Use cabos vermelhos para alimentação e pretos para terra.

• Planeje a disposição previamente, de modo a minimizar as conexões longas edeixe um espaço razoável para inserir as chaves. Uma boa montagem permiteidentificar de maneira rápida os sinais de entrada e saída.

• Se possível, use cores chamativas para identificar sinais críticos. Use seupróprio código, mas seja consistente.

• Em geral, as medições de tensão são entre um pino do CI e o terra. Deixea ponta de prova preta do multímetro conectada ao borne da protoboard emanuseie apenas a ponta de prova vermelha - é muito mais prático.

• Evite fios muito curtos (pois podem escapar), mas principalmente os longos(isto é, prefira as folgas mais curtas). Fios longos deixam a montagem maisconfusa e suscetível a desconexões ao manusear as ligações, pois é comumesbarrar nos fios. Não cruze os fios por cima do CI, pois se precisar substituiro chip fica mais difícil.

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