GUIA DE LABORATRIO DE SISTEMAS DIGITAIS PARA O CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAO

Agosto/2006

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INTRODUO Este guia foi preparado para auxilio s aulas de laboratrio para o curso de Engenharia de Controle e Automao. Sendo o laboratrio parte integrante da disciplina terica, pretende-se com o laboratrio dar uma viso prtica dos assuntos dados em aulas tericas bem como consolidao de conhecimentos. Pretende-se ainda apresentar assuntos novos principalmente com respeito s ferramentas de auxilio a projetos. O guia contm 15 aulas, orientadas para o livro texto Introduo aos Sistemas Digitais de Ercegovac, Lang e Moreno. Todas as aulas constam de uma introduo com o objetivo da aula, uma introduo terica remetendo o aluno para o livro texto com o assunto pertinente aula, uma orientao para o pr-relatrio que o aluno dever sempre apresentar resolvido antes da aula e as tarefas a serem executadas no laboratrio.

RELAO DAS AULAS

Laboratrio 1 Apresentao dos equipamentos do Laboratrio. Laboratrio 2 Contador de dois dgitos BCD. Laboratrio 3 Portas lgicas TTL. Laboratrio 4 Tutorial: Projeto e Simulao com Quartus II. Laboratrio 5 Tutorial: Projeto e Simulao com Quartus II em VHDL. Laboratrio 6 Especificao de Ssitemas Combinacionais. Laboratrio 7 Especificao de Sistemas Combinacionais. Laboratrio 8 Especificao de Sistemas Combinacionais. Laboratrio 9 Especificao de Sistemas Combinacionais e anlise de redes de portas . Laboratrio 10 Dispositivos Lgicos Programveis. Laboratrio 11 Redes Combinacionais Multiniveis. Laboratrio 12 Especificao de Sistemas Sequenciais Sincronos. Laboratrio 13 Redes Sequenciais. Laboratrio 14 Programao da FPGA. Laboratrio 15 Mdulos Padro Combinacionais.

BIBLIOGRAFIA Ergegovac, Lang e Moreno, Introduo aos Sistemas Digitais. Editora Bookman, 2000. Catlogos de componentes TTL do Laboratrio de Sistemas Digitais. 2

AULAS DE LABORATRIO

Laboratrio 1 Apresentao dos Equipamentos do Laboratrio.Objetivo Sendo os alunos de Sistemas Digitais pertencentes ao segundo perodo do curso e no tendo ainda conhecimentos de equipamentos eletrnicos pretende-se nesta e nas duas aulas seguintes mostrar e ensinar a operar os seguintes instrumentos: Osciloscpio analgico, Gerador de frequencia, Multmetro, Fontes de tenso. Protoboards. Sero mostrados ainda os diversos tipos de circuitos integrados e os componentes a serem usados durante o curso como: Display, Leds, Resistores, Capacitores, Chaves liga/desliga, Botes de presso, Circuitos integrados DIP. Pr-relatrio Sendo esta a primeira aula no haver pr-relatrio a ser apresentado.

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Laboratrio 2 Contador de dois dgitos BCDObjetivo O objetivo desta aula continuao da apresentao dos equipamentos e componentes de laboratrio. Os alunos devero montar e testar o funcionamento de um contador BCD de dois dgitos. Ao trmino da aula os alunos devero saber manusear o osciloscpio para visualizar formas de onda, medir tenses, frequencia de sinais. Devero ainda saber usar o protoboard, multmetro, fontes e componentes necessrios montagem Introduo terica Para esta aula ser usado o circuito integrado TTL, 7493 ou 7490 que so contadores binrio/BCD de 4 bits. Os pinos do contador podem ser vistos do catalogo TTL no laboratrio ou em sites de fabricantes na internet. Para o decodificador BCD/7Segmentos ser usado um mdulo pr-montado a ser fornecido no laboratrio. Pr-relatrio Faa uma descrio dos sistemas binrios e BCD. Para isso consulte o captulo 2 do livro texto. Mostre como converter nmeros binrios para decimal, decimal para binrio, binrio para BCD e BCD para binrio. Atividades no laboratrio Montar no protoboard o circuito contador BCD de um dgito dado pelo professor ligado a um sinal de baixa frequncia ( 10 Hz) e observe se a contagem est correta. Verifique no osciloscpio o sinal do oscilador e compare-o com os Sinais QA, QB, QC e QD. Qual a relao de frequencia entre eles? Interligue outro contador BCD igual ao montado formando um contador de 2 dgitos. Cite algumas aplicaes prticas para este circuito.

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Laboratrio 3 Portas Lgicas TTL.Objetivo Dando continuidade ao ensino dos equipamentos de laboratrio, o objetivo desta aula apresentar as portas lgicas TTL, and, or, inversor, nand, nor, xor, xnor. O aluno dever ao trmino da aula conhecer todas as portas acima, os integrados que as contm e suas principais caractersticas eltricas. Introduo terica Consulte e estude o item 2.4 e o captulo 3 do livro texto. Consulte nos catlogos TTL do laboratrio ou na www as caractersticas dos componentes acima.

Pr-relatrio Apresente a tabela verdade para as portas and, or, inversor, nand, nor, xor, xnor. Qual o numero do integrado TTL que contm cada uma das portas acima? Identificar os os pinos dos circuitos integrados acima Consulte o catalogo da porta NAND e responda: Qual o valor da tenso de alimentao? Qual a potencia dissipada pelo circuito integrado(CI)? Quais os valores das tenses de sada quando em estado 0e 1? Quais os valores de tenso de entrada para 0e 1? Qual a corrente fornecida na sada em 0e 1? Para os itens acima consulte os catlogos TTL no laboratrio ou na WWW Atividades no laboratrio Montar e testar no protoboard as portas acima. Utilize um LED e um resistor para ver a sada dos circuitos. Aplicar uma onda quadrada na entrada de uma porta NAND e verificar no osciloscpio as formas de onda de sada e de entrada com a outra entrada em nvel 0e 1. Montar um circuito que implemente a funo F = ABC. Teste e monte a tabela verdade. Qual a funo deste circuito?

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Laboratrio 4 Tutorial: Projeto e Simulao com Quartus II.Objetivo O objetivo desta aula apresentar aos alunos o software da ALTERA QUARTUS II. Este aplicativo um CAD que permite o projeto, simulao e gravao de circuitos eletrnicos digitais, FPLDs da ALTERA. Inicialmente ser apresentado em cinco aulas como projetar, simular e implementar em PLD o projeto em esquemtico. A seguir tambm em cinco aulas ser mostrado como projetar, simular e implementar em PLD usando a linguagem VHDL Ao final desta aula o aluno dever estar familiarizado com o software permitindo a execuo dos projetos das prximas aulas em esquemtico.

Introduo terica PLDs so dispositivos lgicos programveis existindo no mercado em vrios tipos e tamanhos. Devido complexidade destes circuitos existem diversos softwares no mercado que auxiliam no projeto, simulao e implementao de circuitos digitais. Um destes softwares o QUARTUS II da Altera. Tutoriais a respeito podem ser encontrados na HP da Altera. www.altera.com e em diversos sites na www. O aluno dever estudar os itens relacionados a PLD, item 5.7 do livro texto

Pr-relatrio Para esta aula no ser necessrio apresentao de pr-relatrio. Atividades no laboratrio O professor ir apresentar o funcionamento do software Quartus II e a seguir os alunos devero implementar e simular um circuito dado.

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Laboratrio 5 Tutorial: Projeto e Simulao com Quartus II em VHDL

Objetivo O Objetivo desta aula apresentar aos alunos o projeto simulao e implementao de circuitos digitais usando a linguagem VHDL e o software da ALTERA Quartus II. Ao final desta aula o aluno dever estar familiarizado com o software permitindo a execuo dos projetos das prximas aulas em VHDL.

Introduo terica VHDL uma linguagem de descrio de hardware e juntamente com VERILOG tornaram-se padro. So linguagens populares que permitem aos projetistas de circuitos digitais um meio de descrever hardwares digitais para propsitos de especificao, simulao, descrio implementao e sntese. Diversos tutoriais podem ser encontrados facilmente na WWW. Veja Introduo ao VHDLem www.cpdee.ufmg.br/~parma. O item 2.6 do livro texto d uma introduo na linguagem. Os captulos seguintes avanam no estudo de VHDL.

Pr-relatrio Estude o captulo 2.6 do livro texto e responda s perguntas abaixo: O que um mdulo uma entidade e uma arquitetura? O que so sinais e variveis? Quais os tipos de dados em VHDL? O que so expresses em VHD? Quais os operadores em VHDL? Quais as expresses de controle de fluxo dm VHDL? O que so os processos? O que so bibliotecas? D alguns exemplos de programas. Atividades no laboratrio O professor ir apresentar o funcionamento do software Quartus II e a seguir os alunos devero implementar e simular um circuito dado em esquemtico .e a seguir em VHDL.

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Laboratrio 6 Especificao de Sistemas Combinacionais

Objetivo O objetivo dos trs laboratrios seguintes a especificao de sistemas combinacionais. O aluno dever saber especificar em alto nvel um sistema combinacional, obter uma descrio binria codificando as entradas e sadas e obter uma expresso de chaveamento simplificada na forma de soma de produtos ou produto de somas. Dever tambm saber implementar e simular o circuito no QUARTUS II

Introduo terica O assunto abordado no captulo 2 do livro texto Especificao de Sistemas Combinacionais. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios do exemplo 2.18 e 2.19 do livro texto, pagina 33. Para isso obtenha uma especificao de alto nvel, obtenha uma descrio binria codificando entradas e sadas e obtenha uma expresso de chaveamento simplificada na forma de soma de produtos.

Atividades no laboratrio Desenhe o circuito dos exerccios resolvidos no QUARTUS II em esquematico e compile e simule o circuito. Verifique se os resultados esto corretos.

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Laboratrio 7 Especificao de Sistemas Combinacionais

Objetivo Este laboratrio uma continuao do anterior. O aluno dever saber especificar em alto nvel um sistema combinacional, obter uma descrio binria codificando as entradas e sadas e obter uma expresso de chaveamento simplificada na forma de soma de produtos ou produto de somas. Dever tambm saber implementar e simular o circuito no QUARTUS II

Introduo terica O assunto abordado no captulo 2 do livro textoEspecificao de Sistemas Combinacionais. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios 2.46 e 2.48 do livro texto, pagina 53, conforme solicitado. Simplifique as equaes obtidas. Faa um esboo de um programa em VHDL que apresente a soluo dos dois exerccios. Para isso use apenas instrues lgicas e dados do tipo BIT ou BIT_VECTOR. No use instrues aritmticas ou funes do tipo MOD.

Atividades no laboratrio Digite o cdigo em VHDL para a soluo dos dois exerccios acima. Compile e simule o programa. Verifique se os resultados esto corretos.

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Laboratrio 8 Especificao de Sistemas Combinacionais

Objetivo

Este laboratrio uma continuao do anterior. O aluno dever saber especificar em alto nvel um sistema combinacional, obter uma descrio binria codificando as entradas e sadas e obter uma ex[presso de chaveamento simplificada na forma de soma de produtos ou produto de somas. Dever tambm saber implementar e simular o circuito no QUARTUS II

Introduo terica O assunto abordado no captulo 2 do livro texto Especificao de Sistemas Combinacionais. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios 2.49 e 2.50 do livro texto, pagina 53 conforme solicitado. Simplifique as equaes obtidas. Faa um esboo de um programa em VHDL que apresente a soluo dos dois exerccios. Para isso use apenas instrues lgicas e dados do tipo BIT ou BIT_VECTOR. No use instrues aritmticas ou funes do tipo MOD.

Atividades no laboratrio Digite o cdigo em VHDL para a soluo dos dois exerccios acima. Compile e simule o programa. Verifique se os resultados esto corretos.

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Laboratrio 9 Especificao de Sistemas Combinacionais e Anlise de Redes de Portas

Objetivo Projetar, analisar, simular redes de portas lgicas de circuitos combinacionais.

Introduo terica O assunto abordado nos captulos 2, 3 e 4 do livro texto. Estude todos os captulos antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios 4.10 e 4.11 do livro texto, pagina 96 conforme solicitado. Simplifique as equaes obtidas. Implemente o circuito com uma rede de apenas portas NAND.

Atividades no laboratrio Desenhe no QUARTUS II, em ESQUEMATICO os circuitos obtidos e verifique a tabela verdade.

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Laboratrio 10 Dispositivos Lgicos Programveis

Objetivo O Objetivo da aula estudar os dispositivos lgicos programveis ( PLDs). O aluno dever entender o funcionamento e as aplicaes dos PLDs.

Introduo terica PLDs so dispositivos lgicos programveis e so encontradas em diversas configuraes e tamanhos. O assunto abordado no captulo 5 do livro texto. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios 5.18 e 5.19 do livro texto conforme solicitado Compare as vantagens e desvantagens de projetos usando PLDs e lgica discreta, com respeito a custo, velocidade, ferramentas de projeto, risco de estoque, etc. Atividades no laboratrio O aluno dever programar uma GAL16V8, para a implementao dos problemas dos exerccios acima, usando o software PALASM. A seguir dever ser montado em protoboard um circuito para testar o funcionamento.

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Laboratrio 11 Redes Combinacionais Multiniveis.Objetivo O Objetivo da aula estudar redes digitais combinacionais multinveis. Sero estudados mdulos comparadores e redes com multiplexadores.

Introduo terica O assunto abordado no captulo 5 do livro texto. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios 6.6, 6.11 e 6.12 paginas 142 e 143 do livro texto. Atividades no laboratrio Implementar em modo grfico usando o QUARTUS II os exerccios resolvidos acima.

Laboratrio 12 Especificao de Sistemas Sequenciais Sincronos.

Objetivo Definio, descrio e especificao de sistemas sequenciais sncronos. Introduo terica O assunto abordado no captulo 7 do livro texto. Estude todo o captulo antes da aula. Pr-relatrio Resolva os exerccios 2.50(considerar como um sistema sequencial) e 7.19 do livro texto conforme solicitado. Apresente um diagrama de estados da soluo dos dois exerccios. Faa um esboo do programa de VHDL Atividades no laboratrio 13

Implemente em VHDL os exerccios acima. Simule e verifique seu funcionamento.

Laboratrio 13 Redes SequenciaisObjetivo Analise, definio, descrio, especificao e projeto de redes sequenciais

Introduo terica O assunto abordado no captulo 8 do livro texto. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva o exemplo da figura 8.32 do livro texto, pagina 203 usando a) Flip-flop JK e b) um Flip-flop por estado. Faa um esboo do programa em VHDL para a soluo do problema Atividades no laboratrio Implemente em VHDL os exerccios acima. Simule e verifique seu funcionamento.

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Laboratrio 14 Programao da FPGA

Objetivo Projeto simulao e implementao de circuitos digitais com FPGA

Introduo terica O projeto com FPGA vem sendo estudado durante todo o curso com o uso do QUARTUS II. At o momento os alunos tem projetado e simulado os circuitos. Nesta aula ser feita a gravao da FPGA.

Pr-relatrio Projete um decodificador de BCD para display de 7-Segmentos. Atividades no laboratrio O aluno dever simular o projeto acima em ESQUEMATICO e depois implementar em FPGA usando o mdulo de laboratrio da ALTERA.

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Laboratrio 15 Mdulos Padro Combinacionais

Objetivo Implementao de mdulos padro de grande uso em sistemas combinacionais.

Introduo terica O assunto abordado no captulo 9 do livro texto. Estude todo o captulo antes da aula.

Pr-relatrio Resolva os exerccios 9.3, 9.15 e 9.16, com um Flip-flop por estado. Atividades no laboratrio Implemente em VHDL os exerccios acima. Simule e verifique seu funcionamento.

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