apostila labsd1 full 20151

Laboratrio deSistemas Digitais I

Apostila 2015.1

Professores

Fabiano Arajo SoaresJos Felcio da SilvaMarcus ChaffimRenato Lopes

UnB - FGAMaro de 2015

Contedo

I Apresentao e Regras Gerais 5

1 Uso do Laboratrio e Normas de Documentao 71.1 Consideraes Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Normas para Elaborao de Pr-relatrios . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Normas para Elaborao de Relatrios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4 Regras de Uso do Laboratrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Familiarizao 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 Caracterizao de Portas Lgicas 251.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2 Portas Lgicas e Circuitos Integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.3 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2 Circuitos Lgicos Combinacionais 452.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.2 Circuitos Lgicos Combinacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3 Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.4 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.5 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3 Circuitos Somadores e Subtratores 553.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.2 Circuitos Aritmticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.3 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4 Circuitos Codificadores e Decodificadores 63

1

4.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.2 Circuitos conversores de cdigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.3 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5 Circuitos Multiplexadores e Demultiplexadores 695.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.2 Circuitos Multiplexadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.3 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6 Flip-Flops 776.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.2 Circuitos Lgicos Seqenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 776.3 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 806.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7 Circuitos Contadores Sncronos e Assncronos 837.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.2 Circuitos Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.3 Pr-Relatrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 877.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

IIIProjetos Finais 91

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

1 ULA 971.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.2 Projeto Bsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 971.3 Exemplos de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981.4 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

2 Gerador de Onda Quadrada Programvel 1012.1 Projeto Bsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.2 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

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

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

2

CONTEDO

4.2 Projeto Bsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5 Freqencmetro 1095.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.2 Projeto Bsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1105.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6 Verificador de Senhas 1136.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.2 Projeto Bsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

7 Detector e Corretor de Erros 1177.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177.2 Projeto Bsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Bibliografia 121

IV Anexos 123

A Pinagem de CIs 74xxx 125

B Depurando Circuitos 139B.1 Consideraes Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139B.2 O Processo de Depurao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3

Parte I

Apresentao e Regras Gerais

5

AM

BIEN

TAO

1USO DO LABORATRIO E NORMAS

DE DOCUMENTAO

1.1 Consideraes Gerais

O laboratrio um complemento essencial das aulas tericas. Assim, os experimen-tos estaro sincronizados, na medida do possvel, com os tpicos vistos previamenteem sala de aula. Os roteiros dos experimentos estaro disponveis na plataformaMoodle uma semana antes da realizao da prtica, com o intuito de permitir aconcluso das tarefas solicitadas.

Os experimentos sero realizados por uma dupla que permanecer a mesma du-rante todo o semestre. Caso haja desistncia ou trancamento da disciplina por umaluno da dupla, haver uma reordenao de dupla (caso dois alunos se encontremna mesma situao), ou o aluno continuar a realizar os experimentos s. Noser permitida a formao de trios.

Para a realizao dos experimentos, os alunos devero apresentar um pr-relatriocorrespondente prtica que ser realizada. No incio de uma aula tpica, os alu-nos entregaro ao professor dois documentos: (I) o pr-relatrio correspondente aoexperimento do dia e (II) o relatrio do experimento anterior.

A dupla que no apresentar o pr-relatrio - ou apresent-loincompleto - no poder realizar o experimento, obtendo

consequentemente nota zero na pratica em questo. Neste caso nohaver reposio do experimento

1.1.1 Localizao e Disponibilidade

O laboratrio usado para os experimentos est localizado no prdio da UED, nopiso trreo. O laboratrio pode ser utilizado pelos alunos em outros horrios que

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1. USO DO LABORATRIO E NORMAS DE DOCUMENTAO

no sejam o da aula, desde que:

No haja outra aula no horrio pretendido;

Seja preenchido o formulrio de agendamento com o tcnico;

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

Sem horrio agendado o aluno no poder utilizar as dependnciasdo laboratrio

A dupla ter disposio todo material necessrio para a realizao dos experimen-tos, incluindo a protoboard e os CIs.

1.2 Normas para Elaborao de Pr-relatrios

O tempo de aula em laboratrio um tempo que no deve ser desperdiado. achance que o aluno tem de enfrentar dificuldades inesperadas, aprimorar as habili-dades de depurao e uso do raciocnio lgico para resolver problemas na presenado professor.

de grande importncia, portanto, o planejamento prvio e a utilizao de umadocumentao adequada. O pr-relatrio um documento direcionado para a exe-cuo do experimento. Em geral, no pr-relatrio o aluno dever realizar simu-laes dos circuitos presentes no experimento e responder questes referentes pratica a ser realizada.

O pr-relatrio por dupla e de formato livre. Entretanto, deve ser entreguegrampeado e conter:

1. Cabealho com identificao completa do documento, contendo:

Nome e cdigo da disciplina;

Nmero e ttulo do experimento;

Turma de laboratrio;

Nome, assinatura e matrcula do autor;

Local e data.

2. Respostas s perguntas do roteiro, devidamente identificadas;

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

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

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1.3. Normas para Elaborao de Relatrios

1.3 Normas para Elaborao de Relatrios

As normas a seguir so vlidas para relatrios, sejam eles escritos mo ou emformato digital.

1.3.1 Estrutura do Relatrio

O relatrio da dupla que realizou o experimento. O mesmo deve ser entreguegrampeado, com todas as pginas numeradas. Figuras, grficos e tabelas devem terttulo e numerao. Exemplo: Figura 2.1 - Diagrama lgico do circuito somador.O relatrio deve ter a seguinte estrutura:

1. Capa, contendo:

Nome e cdigo da disciplina;

Nmero e ttulo do experimento;

Turma de laboratrio;

Nome, assinatura e matrcula dos autores;

Local e data.

2. Sumrio, apresentando as partes constituintes do relatrio com as respecti-vas paginaes.

3. Introduo, indicando a delimitao do tema, apresentando a justificativadescrevendo o propsito do relatrio.

4. Objetivos

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

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

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

Materiais utilizados (componentes, equipamentos e bancada usada);

Procedimento experimental: descrever a(s) metodologia(s) empregada(s)durante a realizao a prtica. 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 conexes das Tabelas 3 a 5. Como no se testaram as cone-xes durante o processo de montagem, nada funcionou.

Percebeu-se que a fonte DC estava desligada. Em seguida, ligou-sea fonte, porm no verificou-se o nvel de tenso na sada do equipa-mento. Como a mesma se encontrava em 30 V e j estava conectada protoboard, isto causou a queima de todos os CIs.

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Aps trocar todos os CIs e ajustar a tenso da fonte em 5 V, o circuitopassou a funcionar, porm 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, no se encontrava aterrado.Aps realizar a conexo do pino 07 com a linha de terra na protobo-ard, o circuito passou a funcionar corretamente.

Resultados obtidos: fazer uma descrio detalhada dos resultados en-contrados em forma de figuras, grficos e tabelas.

6. Discusso sobre os resultados encontrados, comentando detalhadamenteas medies realizadas e dando a devida interpretao destas, informando seos objetivos da experimento foram alcanados. Esta uma das partes maisimportantes do relatrio: aqui, h oportunidade para expressar os conheci-mentos adquiridos na prtica e fazer a interrelao com os fundamentos te-ricos.

7. Concluses, mostrando os xitos e eventuais problemas encontrados na rea-lizao do experimento, indicando as limitaes, apresentando recomendaese/ou sugestes.

8. Referncias Bibliogrficas, relacionadas e citadas de acordo com as nor-mas da ABNT.

9. Tabelas de Conexo.

Todos os dispositivos usados devem ter suas posies na protoboard anotadas,assim como as conexes realizadas. Para agilizar o trabalho de montagem,sugerimos fortemente que os alunos criem previamente tabelas com um des-critivo das conexes que sero realizadas. Para circuitos simples, a prticapode parecer desnecessria; porm, a complexidade dos circuitos aumenta aolongo do curso e a organizao e presteza durante a montagem tornam-seessenciais.

Por exemplo, suponha que o circuito montado em sala seja o da Figura 1.1.Neste circuito hipottico, h trs componentes (74LS00, 74LS04 e LED1),portanto h trs tabelas de conexo. Cada uma tem tantas linhas quantoo nmero de pinos do componente. Um exemplo est na Tabela 1.1.

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

10. Diagramas Esquemticos.

Todos os diagramas devem ser inseridos ao final do relatrio em pgi-nas separadas do texto, indicando a identificao do circuito, autor, revisor,verso e datas relevantes.

Para o tamanho dos diagramas, h apenas duas opes: dois diagramaspor pgina (orientao retrato, para circuitos mais simples) ou um nico dia-grama por pgina (orientao paisagem, para circuitos mais complexos).

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1.3. Normas para Elaborao de Relatrios

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

74LS00 - Posio A1

De pino Para

... ...P03 B2.74LS04.P01... ...P07 GND... ...P14 Vcc

Tabela 1.1: Exemplo de tabela de conexo.

Figura 1.1: Exemplo de montagem na protoboard.

Cabe aqui listar alguns princpios orientadores para desenhar diagramas es-quemticos:

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74LS00

74LS00

74LS00

74LS00

74LS32

74LS04

74LS32

74LS86

74LS86

LED 1

LED 2

LED 3

LED 4

PULSO

R1 = 100K

R2 = 100K

R3 = 100K

R4 = 100K

VCC

VCC

VCC

VCC

GND

GND

GND

GND

CH4

CH3

CH2

CH1

VCC

1

23

4

566

1 2

1

23

4

56

1

23

4

56

9

108

12

1311

UnB-FGA

LAB SD1

PRANCHA 01

Circuito acendedor de LEDs

Verso

1.0

Data

31/01/2010

Elaborado por

Revisado por

Fulano

Beltrano

Figura 1.2: Exemplo de diagrama esquemtico.

O esquemtico no deve ser ambguo. Assim, todos os pinos, valores decomponentes, polaridades, etc., devem ser explicitados para evitar confu-so.

As diferentes funes desempenhadas pelo circuito devem se localizarem regies distintas. Use este princpio sempre, mesmo que ao custode deixar algumas reas em branco para separar visualmente os gruposfuncionais. Se necessrio, divida o seu projeto em mais de um esquem-tico. Use uma seta (por exemplo ) para indicar sinais que vo de umdiagrama a outro.

Use um ponto para indicar conexes entre fios.

Sempre que possvel, alinhe os componentes na horizontal ou vertical.

Coloque a pinagem dos CIs sempre do lado de fora do smbolo.

IMPORTANTE

No ser admitido plgio de qualquer espcie. Caso detectado, ser punidocom nota zero.

O prazo de entrega do relatrio de uma semana a partir da data darealizao do experimento.

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1.4. Regras de Uso do Laboratrio

1.4 Regras de Uso do Laboratrio

As regras a seguir tm como objetivo minimizar o risco de acidentes. Leve-as asrio. A circulao de uma corrente eltrica de 100mA pelo seu trax pode causardesfibrilao e ser fatal.

1.4.1 Ao entrar em sala

1. Guarde sua mochila no armrio. Leve para a bancada apenas o necessriopara realizar o experimento. Seu notebook, tablet ou smartphone no soessenciais.

2. No use saia, bermuda ou calados abertos, principalmente chinelos. Vpara o laboratrio usando calados com sola de material isolante.

1.4.2 Durante o experimento

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

2. No use anis, 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 mos sempre limpas e secas.

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

7. Evite ao mximo manusear circuitos energizados.

8. Desconecte a fonte de tenso ao realizar quaisquer modificaes nos circuitos.

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

10. No obstrua os interruptores com qualquer tipo de objeto. O acesso aos mes-mos deve ser rpido em caso de emergncia.

Os alunos no devem pedir ajuda ou tirar dvidas sobre a montagemdo experimento com os tcnicos do laboratrio

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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-ratrio.

4. Deixe a bancada perfeitamente limpa e organizada.

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

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AM

BIEN

TAO

2FAMILIARIZAO COM A BANCADA

2.1 Objetivos

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

2.2 Parte Experimental

Havendo qualquer dvida ao realizar qualquer procedimento, chame o professor ouo monitor. Esteja seguro das aes 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) ser permitidoque trs alunos ocupem o mesmo espao. Cada bancada possui os seguintes equi-pamentos, que devem estar conectados s tomadas:

1 Osciloscpio BK Precision modelo 2530;

1 Gerador de funes iCEL modelo GV-2002;

1 Fonte de tenso Minipa modelo MPL-1303;

1 Fonte de tenso Minipa modelo MPL-3305M.

Identifique cada um destes equipamentos, assim como os alicates, extrator de CIse os repositrios para fios. A bancada possui dois interruptores, um referente tenso de 110 VAC e outro para a de 220 VAC . Ao ligar cada interruptor, uma luzde aviso acender, indicando que a linha de tenso correspondente est disponvelpara energizar os equipamentos.

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2. FAMILIARIZAO COM A BANCADA

Atividade 1

Ligue e desligue os interruptores de sua bancada. Informe o professor caso aluz de aviso no acenda.

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

2.3 Equipamentos

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

2.3.1 Multmetro

O multmetro ser o seu principal equipamento para inspecionar o funcionamentodo circuito. Manuseie-o corretamente e com cuidado. Como qualquer equipamentode laboratrio, deve ser operado corretamente sob risco de danific-lo ou mesmoinutiliz-lo.

Figura 2.1: Multmetro digital

Atividade 2

Ligue o multmetro. Em sequncia, de acordo com as instrues do profes-sor, selecione as diversas funes do equipamento (medida de tenso DC, AC,resistncia, teste de LED, medida de corrente).

Desligue o multmetro.

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2.3. Equipamentos

2.3.2 Fontes de tenso DC

Este o equipamento que fornecer energia para os circuitos projetados. As fontesdisponveis no laboratrio tm pelo menos dois terminais com cores distintas: umpreto, usado para o n terra; e outro vermelho, usado para a tenso de alimentaodos CIs ou VCC .

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

Atividade 3

Ligue a fonte de tenso MPL-1303. Ajuste o nvel de tenso para 5.0VDC .Usando o multmetro, selecione a funo adequada e mea o valor entre osterminais preto e vermelho.

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

2.3.3 Gerador de Funes

Este equipamento tem como funo fornecer tenses variantes no tempo, de acordocom uma funo pr-definida. Notem a terminao BNC.

Figura 2.3: Gerador de funes GV-2002.

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2.3.4 Osciloscpio

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

Figura 2.4: Osciloscpio BK 2530.

Atividade 4

Siga as orientaes do professor para conectar a ponta de prova do osciloscpiono cabo BNC-jacar.

Em seguida, visualize as formas de onda quadrada, senoidal e triangular nafrequncia 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 do que um pequeno painel que permite realizar cone-xes eltricas entre componentes por intermdio 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 composta por faixas de pontos de conexo, existindo tipicamentedois tipos de faixas. O primeiro chamado faixa tipo soquete. Neste tipo de soquete,grupos de 5 furos so conectados eletricamente por contatos internos. Entre dois

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2.4. Material para Montagem de Circuitos

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Figura 2.5: Conexes na protoboard.

grupos de 5 furos h um espaamento maior destinado a permitir a insero de CIsna protoboard, como mostrado na Figure 2.5.

O segundo tipo de faixa chamada de faixa tipo alimentao. Neste caso, gruposmaiores de pinos esto conectados eletricamente, permitindo facilitar a distribui-o de sinais comuns, tais como tenso de alimentao e terra.

Atividade 5

Identifique as faixas da protoboard em sua bancada.

Com o multmetro na funo de ohmmetro, verifique o isolamento (ou curto)nos furos das faixas de soquete e de alimentao. Use dois jumpers parafacilitar o processo.

2.4.2 Cabos e fios

Os fios usados para conexo na protoboard esto disponveis nas caixas das banca-das. Antes de utiliz-los, verifique se:

Esto desencapados nas extremidades. As pontas devem ser de comprimentotal que, ao encaixar o fio na protoboard, a ponta desencapada no fique ex-posta.

Os fios no esto quebrados. Em caso de suspeita, faa o teste com o multme-tro.

Ao utilizar os fios, no use fios longos para conexes entre componentes que estoprximos. Use o bom senso. No deixe os fios muito esticados, pois a tendncia que eles escapem nos furos. Caso adquire em uma loja, recomenda-se comprarjumpers (do tipo macho) de vrios tamanhos.

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

19


O multmetro e o osciloscpio possuem cabos de conexo especiais chamados depontas de prova. Em particular, as pontas de prova de osciloscpio so parteessencial do equipamento e devem ser manuseadas com cuidado.

As terminaes dos cabos disponveis so de 4 tipos:

Banana - para conexes s fontes de alimentao ou protoboard;

Jacar - para conexes s fontes de alimentao ou protoboard;

BNC - para conexes ao osciloscpio ou ao gerador de funes;

Pin - para conexes protoboard.

H cabos com terminaes diferentes: BNC-banana, banana-pin, banana-jacar,etc. Use o adequado para cada caso. Quando uma das terminaes BNC e a outrano, sempre haver uma terminao com terminao preta. A ponta de cor pretadeve estar conectada ao terra do circuito.

Atividade 6

Identifique os cabos disponveis em sua bancada. Sem ligar qualquer equipa-mento, conecte protoboard uma das fontes de alimentao. Verifique se hmais de uma opo de terminao de cabo para tanto.

2.4.3 Resistores

Neste laboratrio, os resistores sero utilizados exclusivamente com um nico pro-psito: limitar o nvel de corrente nos diodos LED. Em sua bancada, deve haveruma tabela de cdigo de cores para resistores.

Atividade 7

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

Confira o valor lido com a medio no multmetro.

Em seguida, conecte-os nas associaes srie e em paralelo na protoboard.Mea a resistncia de cada associao com o multmetro.

2.4.4 Diodos (LEDs)

Os LEDs utilizados no laboratrio tm como funo representar visualmente umnvel lgico. O LED um dispositivo com dois terminais, denominados anodo (A) ecatodo (K).

Para que o LED conduza corrente (e neste caso emita luz), a tenso entre osterminais deve ser tal que o anodo esteja em uma tenso positiva VT com relaoao 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 pelo tamanho do terminal A, que tem comprimento maior.

20

2.5. Chaves (ou switches)

LEDi AK

VAK

A K

VAKVT

i AK

Figura 2.6: Diodo - representao e curva caracterstica simplificada.

Atividade 8

Teste o funcionamento do LED com o multmetro.

2.4.5 CIs

Em aulas posteriores detalharemos as caractersticas dos CIs usados neste curso.Por hora, basta saber que, na protoboard, a configurao das faixas do tipo soquetee o espaamento dos furos permite a insero 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 so de trs terminais, que funcionam como seletores. No ter-minal central, a tenso correspondente a selecionada pela posio do boto.

VCC

Para o circuito

GND

Figura 2.7: Chave de trs pinos.

21


Atividade 10

Ajuste a fonte de tenso para 5VDC .

Confirme a medio com o multmetro.

Insira uma chave na protoboard, de modo que seus trs pinos no estejam emcurto-circuito.

Desligue a fonte e a conecte protoboard.

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

Conecte em srie ao terminal central um resistor de 1K e um LED.

Ligue a fonte. Com o multmetro, mea a tenso no terminal central, comrelao ao terra. Verifique se o LED acendeu.

Mea a tenso no LED e no resistor. Verifique a Lei das Tenses de Kirchoff.

Atividade 11 (havendo tempo)

Ajuste a fonte de tenso para 2.0VDC .

Ajuste o gerador de funes para onda senoidal, com 2.0VPP , frequncia deaproximadamente 1 Hz.

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

2.0VDC

4.0VPP

1.0 K

LED

Ligue a fonte.

Ligue o gerador.

Observe no osciloscpio a forma de onda no LED.

22

Parte II

Experimentos

23

EXPERIM

EN

TO

1CARACTERIZAO DE PORTAS

LGICAS

1.1 Objetivos

Apresentar circuitos integrados das famlias TTL e CMOS e realizar estudos paradeterminar suas caractersticas bsicas (estticas e dinmicas), como por exemplo,a curva de transferncia de tenso, tempos de subida, descida e atrasos de propa-gao.

1.2 Portas Lgicas e Circuitos Integrados

1.2.1 Introduo

A tecnologia de integrao de componentes eletrnicos em uma nica pastilha desilcio permite a fabricao dos chamados circuitos integrados ou CIs. CIs digi-tais so simplesmente uma coleo 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 a implementao, na forma de circuitos, das funes boolea-nas.

Para implementar funes booleanas de complexidade simples ou moderada,dispomos de CIs que realizam funes elementares, tais como AND, NAND, OR,NOR, NOT e XOR. Estes CIs podem ser interpretados como blocos funcionais,possibilitando ao projetista trabalhar com o nvel de abstrao correspondente aochamado de portas lgicas. Como exemplo, na Figura 1.1 apresenta-se a imple-mentao 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. Porm, quando utilizamos um CI do

25

1. CARACTERIZAO DE PORTAS LGICAS

R1 3.6K R2 1.6K R4 115

Q4

D2

Q3

Q2Q1

R3 1K

D1

Vcc (14)

IN (1)

OUT (2)

GND (7)

Figura 1.1: Implementao de uma porta inversora usando lgica TTL.

tipo 7404 dispomos de seis portas NOT e tipicamente no precisamos nos preocu-par em como o CI implementou a funo NOT1. O que pode nos interessar se aimplementao realizada com este CI satisfaz nossos critrios de projeto, tais comofrequncia de operao e nveis de tenso dos sinais de entradas e sada.

1.2.2 Classificao de CIs

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

Tabela 1.1: Classificao de CIs pelo nmero de portas lgicas.

SIGLA SIGNIFICADO NMERO DE PORTAS LGICAS

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 em analgicos, digitais e mistos(mixed signal). Na categoria digital, encontram-se: as portas lgicas, os flip-flops,os multiplexadores, os microprocessadores, os microcontroladores, os DSPs (digital

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

26

1.2. Portas Lgicas e Circuitos Integrados

signal processors), dentre outros. Esses CIs contm circuitos formados por resisto-res, diodos e transitores miniaturizados, diferenciando-se dos circuitos integradosditos analgicos pelo fato de que nos digitais os transistores s possuem dois modosestveis de operao (corte e saturao), ficando muito pouco tempo nas regies detransio. Portanto, idealmente, dito que os transistores operam como chaves.

Os CIs analgicos so tipicamente sensores, circuitos de potncia, amplificado-res operacionais (Amp-Ops), misturadores (mixers) e filtros. Os mistos tm comorepresentante clssico os conversores de sinal A/D (analgico-para-digital) e D/A(digital-para-analgico).

A terceira maneira comum de classificao, tambm chamada de famlia, refere-se ao tipo de tecnologia de fabricao do CI. Alguns exemplos de famlias so:

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 famlia, h subfamlias com caractersticas especficas. Em particular,apresentamos a seguir as subfamlias TTL e CMOS.

1.2.2.1 Famlia TTL

A famlia TTL dividida em dois grandes grupos: o primeiro, voltado para a versocomercial (com prefixo de cdigo 74) e o segundo, para a verso militar (prefixo 54).Os avanos nas tcnicas de fabricao levaram a uma subdiviso dos CIs TTL emsubfamlias, tais como:

Tabela 1.2: Subfamlias TTL.

SUBFAMLIA PREFIXO OBSERVAO

Standard 54/74 Srie padro

Low Power 54L/74L Baixa potncia

Schottky 54S/74S Rpido

Advanced Schottky 54AS/74AS Rpido

Low Power Schottky 54LS/74LS Baixa potncia

Advanced Low Power Schottky 54ALS/74ALS Baixa Potncia

Fast 54F/74F Rpido

27


1.2.2.2 Famlia CMOS

Atualmente, a famlia de CIs mais usada a CMOS, por ter baixo consumo depotncia e boa imunidade a rudo. Assim como a famlia TTL, dividida em sub-famlias: Notem que h CIs CMOS compatveis com CIs TTL (mesma pinagem e

Tabela 1.3: Subfamlias CMOS.

SUBFAMLIA PREFIXO OBSERVAO

CMOS 74C Srie padro

High-speed CMOS 74HC Rpido

High-speed, TTL compatible 74HCT Compatvel com TTL

Advanced CMOS 74AC Rpido

Advanced CMOS, TTL compatible 74ACT Compatvel com TTL

Advanced High-speed CMOS 74AHC Rpido

Very High-speed CMOS 74VHC Rpido

Very High-speed CMOS TTL compa-tible

74VHCT Compatvel com TTL

Low-voltage CMOS 74LVC Baixa tenso de ali-mentao

Advanced Low-voltage CMOS 74ALVC Baixa tenso de ali-mentao

Advanced Ultra-low Power CMOS 74AUP Aplicaes portteis

Fast CMOS FCT Rpido

mesma funo lgica), permitindo a interconexo entre as duas tecnologias.

1.2.3 Tipos de Encapsulamento de CIs

A pastilha de silcio que contm o CI pode ser encapsulada (ou empacotada) de di-versas formas, de acordo com as necessidades mais comuns de confeco das placasde circuito impresso. A que ser utilizada neste curso 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 conveno, ao lado esquerdo do chanfroencontra-se o pino 1.

Em alguns CIs (com encapsulamento de plstico) h ainda um pequeno crculoao lado do pino 1. A numerao feita em sentido anti-horrio, como mostradona Figura 1.2. Para se determinar a funo de cada um dos terminais deve-se

28


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 seo 1.2.4), como exemplo a Figura 1.3mostra a identificao 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 fonte de alimentao 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: Identificao dos terminais do CI 74LS32 (vista superior).

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

Circuitos com um nmero maior de pinos, tais como os microprocessadores co-merciais atuais, exigem uma estratgia diferente, aproveitando todo o espao pos-svel da cpsula para alocar os pinos. Assim, encontram-se disponveis montagensde superfcie 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 ser inserido (por

29


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

Figura 1.4: Ilustrao de um encapsulamento LGA. Observe que no h pinos,somente contatos metlicos.

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 informaes importantes para o correto uso de um CI encontra-se em uma breveespecificao funcional (ou manual) chamada de data sheet. Cada fabricantedisponibiliza o data sheet correspondente ao produto manufaturado. Vale a penamencionar que, independentemente do fabricante, alguns parmetros bsicos sosempre fornecidos e tm o mesmo nome, de modo a possibilitar ao projetista reali-zar a interconexo entre CIs de fornecedores diferentes.

30


O entendimento das caractersticas estticas e dinmicas que definem as capa-cidades e limitaes de qualquer dispositivo lgico vital para a obteno de umprojeto consistente e confivel. Por exemplo, como j visto nas aulas tericas, asinformaes binrias so representadas por faixas de tenses e os valores tpicosde tenses em um sistema digital da forma mostrada na Figura 1.5.

Binrio 1

Binrio 0

Tenses Invlidas No usado

0.0 V

0.8 V

2.0 V

5.0 V

Figura 1.5: Valores tpicos de tenso em um sistema digital.

No entanto, na prtica esses valores so ligeiramente diferentes dos mostra-dos, pois dependem de vrios fatores como, por exemplo, a tecnologia de fabricaoutilizada, conforme pode ser visto na Figura 1.6.

Portanto, no subestime o valor do estudo detalhado dos manuais dofabricante. O bom entendimento dos parmetros eltricos estticos e dinmicosdas pastilhas comerciais de importncia fundamental para a realizao de umbom projeto.

0 V0.4 V0.8 V

2 V2.4 V

5 V

GNDVOLVIL

VIHVOH

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)

SADA

tPHL tPLH

TTL 5 V CMOS 5 V

Figura 1.6: Alguns parmetros de operao de CIs.

31


Os parmetros mais relevantes encontrados nos manuais dos CIs usados nestecurso esto explicitados na Tabela 1.5, com valores extrados de um CI tpico. Osvalores exatos devem ser analisados caso a caso, pois variam de acordo com a fam-lia do CI.

Tabela 1.5: Alguns parmetros de operao de CIs.

Smbolo Parmetro LimitesMnimo Tpico Mximo Unid.

VCC Tenso de alimentao do CI 4,75 5,0 5,25 V

VIH Tenso mnima de entrada naporta interpretada como nvelAlto (High)

2,0 V

VIL Tenso mxima de entrada naporta interpretada como nvelBaixo (Low)

0,8 V

VOH Tenso mnima de sada naporta para nvel Alto (High)

2,7 3,5 V

VOL Tenso mxima de sada naporta para nvel Baixo (Low)

0,35 0,5 V

IIH Corrente mxima absorvidapela entrada em nvel Alto(High)

20,0 mA

IIL Corrente mxima fornecidapela entrada em nvel Baixo(Low)

0,1 mA

IOH Corrente mxima fornecidapela porta em nvel lgico Alto(High)

-0,4 mA

IOL Corrente mxima absorvidapela sada em nvel lgicoBaixo (Low)

8,0 mA

tPLH Atraso entrada-sada, de n-vel Baixo para Alto (Low paraHigh)

8 15 ns

tPHL Atraso entrada-sada, de nvelAlto para Baixo (High paraLow)

10 20 ns

32


1.2.5 Parmetros Eltricos Estticos da Familia TTL

Os circuitos TTL da serie 74 foram projetados para operar com tenso de alimen-tao Vcc = 5,00V 5%, numa faixa de temperatura de 0C a 70C. Para 5,00V , a25C, cada porta TTL da serie 74 consome, em mdia, uma potncia de 10 mW. To-dos os parmetros apresentados no datasheet so garantidos pelos fabricantes doscircuitos integrados da srie 74, se as limitaes mencionadas forem obedecidas.

Conforme j mencionado, uma caracterstica eltrica muito importante para ca-racterizao do CI sua curva de transferncia de tenso. Esta dada por umgrfico tenso da sada versus tenso de entrada. A Figura 1.7 apresenta um exem-plo de uma curva de transferncia de um inversor.

VCC

Tenso de Sada (V)

Tenso de Entrada (V)

Nvel 0

Nvel 1

Vb Vx

Va0

1

2

3

4

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Figura 1.7: Caracterstica de transferncia tpica de uma porta TTL inversora.

Para tenses de entrada inferiores a Vb a sada apresenta uma tenso de sadaconstante igual a 4V (nvel lgico UM). A partir de Vb, a sada comea a apresentaruma queda de tenso. Quando a tenso de entrada atinge Vx , a queda se tornamais acentuada, chegando a um nvel mnimo em Va . A partir deste valor, a sadapermanece constante (nvel lgico ZERO). Os valores tpicos destas tenses so:Vb = 0,7V , Vx = 1,0V , Va = 1,3V , NVEL UM = 4,0V e NVEL ZERO = 0,3V .

A Figura 1.6 mostra os nveis de tenso garantidos pelos fabricantes. Vale apena observar que VOH deve ser maior do que VIH e que VOL deve ser menor doque VIL. A diferena entre estes valores fornecem as faixas de imunidade a rudopara os nveis lgicos. Notem que a imunidade a rudo da tecnologia CMOS maior do que a TTL, alm do fato de que, na famlia CMOS, os nveis de tensomencionados serem simtricos com relao aos nveis GND e VCC. Analisando-seesses valores de tenso, pode-se concluir que os circuitos TTL admitem, no piorcaso, uma margem de rudo CC de 0,4V .

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

33


pode-se somar um rudo de amplitude 0,4V , que o sinal resultante ainda se en-contra dentro das especificaes de entrada para nvel UM. Para valores de tensocompreendidos entre 0,8V e 2,0V , nada se garante com relao aos nveis lgicos[SM11a].

Alm da compatibilidade entre os nveis de tenso requeridos pelas entradase fornecidos pelas sadas, tambm necessrio examinar os valores das correntesabsorvidas e fornecidas pelas entradas e sadas dos circuitos integrados, tanto emnvel UM como em nvel ZERO. A Tabela 1.6 apresenta os valores tpicos encontra-dos.

Tabela 1.6: Nveis de corrente tpicos para a srie 74 da tecnologia TTL. Valoresobtidos de [SM11a]

PARMETRO DESCRIO VALOR

I I LCorrente mxima fornecida por

entrada em nvel ZERO-1,6 mA

IOLCorrente mxima absorvida por

sada em nvel ZERO +16 mA

I I HCorrente mxima absorvida por

entrada em nvel UM +40 A

IOHCorrente mxima fornecida por

sada em nvel UM-400 A

Analisando-se a tabela acima, conclui-se que uma sada TTL pode excitar at10 entradas da mesma famlia (fan-out). Outra especificao importante fornecidapelos fabricantes dos circuitos TTL diz respeito mxima tenso que pode ser apli-cada s entradas. Para a srie 74, recomendado no se colocar nveis de tensosuperiores a 5,5V , pois o circuito pode ser danificado se uma entrada receber umatenso superior a este valor.

Um outro ponto a se notar que a IOL >> IOH . Desta forma, ao conectar um LEDna sada de um CI TTL, prefervel fazer com que ele seja aceso quando a sadafor para o nvel lgico 0.

1.2.6 Parmetros Eltricos Estticos da Famlia CMOS

Circuitos integrados CMOS (MOS Complementar) so componentes que apresen-tam as mesmas funes lgicas disponveis em componentes da famlia TTL, masso mais rpidos e consomem menos energia [TWM07]. Atualmente, representa atecnologia dominante no mercado de semicondutores, sendo empregado em proces-sadores, memrias e outros dispositivos. A curva de transferncia de tenso de uminversor CMOS apresentada a seguir, na Figura 1.8.

34


Inclinao = +1

Inclinao = -1VOH=VDD

00 VIL

VTH = VDD/2

VIH VDD

Nvel 0 Nvel 1

Tenso de Sada

Tenso de Entrada

Figura 1.8: Caracterstica de transferncia tpica de uma porta CMOS inversora.

1.2.7 Parmetros de Tempo

Existem determinadas condies indesejveis de funcionamento de projetos de sis-temas digitais. O equacionamento lgico obtido para a implementao de um pro-jeto uma ferramenta suficiente para a validao lgica do circuito, mas no levaem conta caractersticas fsicas dos dispositivos, que podem alterar os resultadostericos esperados [SM11a]. Uma destas condies diz respeito aos parmetros detempo em circuitos digitais, tambm chamados de parmetros dinmicos dos CIs .

A Figura 1.5 apresenta a interpretao de dois parmetros importantes tPLH etPHL. Estes fornecem uma medida da frequncia mxima de operao do circuito:quanto menores estes tempos, mais rpida a transio entres os nveis lgicos,permitindo a utilizao de sinais com frequncia mais alta. O tempo de propagaode um CI definido atravs da mdia aritmtica dos tempos de propagao tPLH etPHL.

Alm destes dois parmetros existem mais alguns importantes [SM11a]:

Tempo de Subida (Rise time - tr) - intervalo de tempo necessrio para queum sinal v de 10% do seu valor em tenso at 90% do seu valor em tenso(Figura 1.9).

Tempo de Descida (Fall time - tf) - intervalo de tempo necessrio para queum sinal v de 90% de seu valor em tenso at 10% do seu valor em tenso(Figura 1.10).

Tempo de Atraso (Delay time - td) - intervalo de tempo decorrido entreuma variao de sinal na entrada e a correspondente variao na sada; toma-se como referncia o ponto de 50% do valor de tenso, conforme mostrado naFigura 1.11.

As caractersticas acima citadas, aliadas a fatores tais como, o no sincronismode eventos, podem levar gerao de sinais indesejveis em projetos aparente-

35


tr

V

0,1 V

0,9 V

Figura 1.9: Caracterizao do tempo de subida.

tf

V

0,1 V

0,9 V

Figura 1.10: Caracterizao do tempo de descida.

Entrada

Sada

Entrada

Sada

VE VS

0,5 VS

0,5 VE

td

Figura 1.11: Caracterizao do tempo de atraso.

mente corretos. Para que se possa contornar essa situao deve-se conhecer pro-fundamente todas as caractersticas dos componentes que sero utilizados.

36

1.3. Pr-Relatrio

1.3 Pr-Relatrio

1.3.1 Pesquisa bibliogrfica

Faca uma pesquisa bibliogrfica sobre os componentes TTL e CMOS explicandoas principais diferenas entre essas duas tecnologias. Alm disso, utilizando osmanuais dos componentes 74LS00 (TTL) e 74HC00 (CMOS) responda as questesabaixo.

1. Com relao aos parmetros eltricos:

Quais os valores dos parmetros eltricos estticos (VIL, VOL, VIH e VOH)?Monte uma tabela mostrando a comparao.

Apresente a curva de transferncia de tenso de um inversor CMOS eTTL. Faa uma breve discusso das diferenas observadas.

2. Com relao aos parmetros dinmicos:

Quais os valores para tPHL e tPLH?

Determine os valores de tr e tf para um inversor.

1.3.2 Projetos e Simulaes

Nesta seo so descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulao o aluno pode utilizar o software de sua preferncia, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulao desenvolvidos comtodas as condies de simulao realizadas. Pede-se que o aluno entregue tambmo arquivo da simulao 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, simplificaes lgicas realizadas, os diagramas es-quemticos dos circuitos e todas as informaes adicionais que julgar necessriaspara perfeita compreenso do projeto realizado.

Alm disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento demetodologia de depurao, apresentando o esquema orientativo para o processode depurao, adequado ao particular projeto (documento j debatido em aulasanteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementaodo circuito na protoboard.

1.3.2.1 Simulao 1

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

37


VCC

GND

A

B

LUZ

VCC

VCC

GND

GND

VCC

Figura 1.12: Circuito a ser simulado.

1.3.2.2 Simulao 2

A Figura 1.13 mostra um circuito de alarme de automvel usado para detectaruma determinada condio indesejada. As trs chaves so usadas para indicar,respectivamente, o estado da porta do motorista, o estado da ignio e o estadodos faris. O alarme deve ser ativado (na simulao o LED deve acender) sempreque os faris esto acesos e a ignio est desligada ou a porta do veculo estaberta e a ignio est ligada. Simule este circuito no software de sua prefernciae verifique se o circuito funciona adequadamente. Justifique a sua resposta.

VCC

GND

FARIS

VCC

GND

IGNIO

VCC

GND

PORTA

Acesos

Apagados

Ligada

Desligada

Aberta

Fechada

R

LEDAlarme

Figura 1.13: Circuito de alarme de um automvel.

1.3.2.3 Projetos

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

38

1.4. Roteiro Experimental

Utilize LEDs como indicadores da sada da funo booleana.

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

2. Utilizando apenas um CI da famlia 7486 (XOR), projete um circuito NO-XOR (XOR) com quatro entradas.

1.4 Roteiro Experimental

1.4.1 PARTE 1 - Circuitos Elementares com Portas Lgicas

Monte e teste os circuitos projetados na Seo 1.3.2.3. Com o multmetro,mea as tenses VLED sobre o LED e VR sobre o resistor. Anote todas as medi-es.

Visualize a tenso VR no osciloscpio e reproduza a tela do osciloscpio nosgabaritos fornecidos ao final deste roteiro.

1.4.2 PARTE 2 - Caracterizao de CIs

1. Selecione um CI NAND da famlia TTL (por exemplo, o 74LS00) e monte ocircuito da Figura 1.14 (setup para curva). Observe que nesta montagem aporta NAND est configurada de forma a operar como uma porta inversora.No se esquea de conectar a alimentao do componente (pinos VCCe GND).

Fonte fixa

+5.0 V

Fonte varivel

(0 a +5.0 V)

VCC (pino 14)

GND (pino 7)

Sada

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

2. Com a tenso de alimentao em VCC fixa em 5 V, altere a tenso fornecida entrada, em passos de 0.5 V. Mea a tenso de sada correspondente e cons-trua o grfico da curva caracterstica de transferncia de tenso deste inversorusando as Figuras 1.16 e 1.17.

39


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

FAMLIAVIN(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 ligao. Com ummultmetro digital realize a medida dos nveis de tenso nas entradas A eB e na sada Y do componente. Qual o nvel lgico das entradas A e Bcorrespondente ao nvel lgico da sada Y medida? Justifique no relatrio osnveis obtidos.

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

5. Pense em um procedimento para determinar os nveis de tenso correspon-dente ao nvel lgico UM e ao nvel lgico ZERO de uma porta OR TTL. Des-creva detalhadamente o procedimento elaborado e monte o circuito necessriopara determinao dos nveis de tenso. Compare os resultados obtidos comos resultados tericos esperados.

6. Monte o circuito da Figura 1.15 (setup para tempos), implementando os inver-sores com portas NAND. Usando o osciloscpio, reproduza as formas de ondana entrada VIN (no canal 1) e VOUT (canal 2), quando a sada tomada noprimeiro estgio VOUT,1 e no segundo estgio VOUT,2. Use a escala de tempomais aberta possvel. 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 determinao dos parmetros dinmicos de um CI.Figura adaptada de [SM11a]

7. Calcule o tempo de propagao tP da porta lgica em estudo.

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

40


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

41


0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 Tenso de entrada (V)

Tensode

sada(V)

Figura 1.16: Curva caracterstica experimental de circuito TTL.

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 Tenso de entrada (V)

Tensode

sada(V)

Figura 1.17: Curva caracterstica experimental de circuito CMOS.

42


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

EXPERIM

EN

TO

2CIRCUITOS LGICOS

COMBINACIONAIS

2.1 Objetivos

Aprimorar a viso do aluno quanto metodologia e implementao de um CircuitoLgico Combinacional e s implicaes das decises de projeto. Ao final da prticao aluno dever estar apto a trabalhar com certo grau de desenvoltura no ambienteda protoboard e a trabalhar com quaisquer circuitos combinacionais.

2.2 Circuitos Lgicos Combinacionais

2.2.1 Introduo

Os circuitos lgicos combinacionais so aqueles onde o nvel lgico da(s) sada(s),em qualquer instante de tempo, depende nica e exclusivamente, dos nveis lgicospresentes nas entradas. Em outras palavras, so circuitos que no possuem a carac-terstica de memria. Estes circuitos so projetados para executar uma operaode processamento que pode ser especificada por meio de um conjunto de equaesbooleanas, cuja as regras e propriedades so dadas pela lgebra de Boole, conformej estudado nas aulas tericas.

O estudo dos circuitos combinacionais importante para compreender o funcio-namento de circuitos muito utilizados na construo de computadores e em vriosoutros 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 situaes, representadas pelas variveis de entrada.Para se construir esses circuitos, necessita-se de suas expresses caractersticas

45

2. CIRCUITOS LGICOS COMBINACIONAIS

que, como j foi visto, so obtidas atravs das tabelas verdade que representam assituaes j mencionadas.

2.2.2 Projeto de Circuitos Combinacionais

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

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

O processo se inicia com uma anlise detalhada e profunda do problema quedeve ser resolvido. Esta anlise deve permitir a descrio do problema na forma deuma tabela verdade. Esta a etapa mais difcil e requer experincia do projetista,pois no possvel torn-la um processo algortmico, passvel de uma metodizaoabsoluta devido, sobretudo, s nuances e caractersticas de cada problema.

No entanto, em geral, a identificao correta das variveis de entrada e sada um passo que auxilia na construo da tabela verdade. Nesse processo, o projetistadeve responder algumas perguntas, como por exemplo:

Quantas so as variveis de entrada e sada?

Quais so?

O que representa os nveis lgicos ZERO e UM?

46

2.3. Displays

Aps essas definies deve-se realizar as combinaes das variveis de entrada emontar a tabela verdade para cada sada.

Aps a obteno da tabela verdade, o prximo passo a expresso booleanade cada sada. Uma forma de realizar esse procedimento escrever o termo AND(produto) para cada caso em que a sada esteja em nvel lgico alto e depois escrevera expresso de soma de produtos para a sada.

A obteno da expresso lgica do problema j permite a implementao do cir-cuito. No entanto, altamente recomendvel simplificar a expresso lgica obtidade forma a obter um circuito mais simples e, consequentemente, mais barato. Oprocesso de simplificao pode ser realizado atravs da lgebra de Boole ou atra-vs da utilizao de Mapas de Karnaugh.

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

2.3 Displays

2.3.1 Introduo

O display um elemento importante no projeto de sistemas eletrnicos, dada a suafuno de apresentar informaes inteligveis a um ser humano. A gama de uti-lizao dos displays bastante diversa, indo desde aplicaes no setor industrialat a incorporao em produtos eletrnicos de consumo de massa. Um exemplorecente so os displays sensveis ao toque usados em produtos portteis. Assim,encontra-se no mercado uma grande variedade de opes de formatos, especifica-es 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 necessria a presena de cir-cuitos destinados a controlar cada um de seus pixels, de modo a poder mostrardinamicamente as imagens que se deseja visualizar.

Neste experimento, ser utilizado um display LED de sete segmentos. Este tipode display usado para visualizar informaes numricas, podendo ser usado emrelgios, instrumentos de medio, painis de preo e calculadoras, dentre outrasaplicaes. Como os displays necessitam de controladores, tambm ser utilizadoum conversor de dgitos 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 at G. Alm das letras, comum existir um ponto (DP decimal point), prevendo aplicaes numricas. No-

47


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

Visto que cada segmento um LED, deve-se conectar o anodo e catodo de ma-neira correta, de forma a polariz-lo corretamente e permitir a emisso de luz.Comercialmente, h duas opes de configurao: anodo comum ou catodo comum.Neste experimento, ser utilizado um display de catodo comum, como mostrado naFigura 2.2.

b

b

b

b

b

b

D

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: disposio dos segmentos; direita:configurao catodo comum.

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

2.3.3 Conversor BCD para 7 segmentos

O CI 4511 realiza uma codificao de uma entrada binria em codificao BCD(entradas DA, DB, DC, DD - sendo DD o bit mais significativo) para sete sadas (Oaat Og), de modo a permitir a interconexo ao display de sete segmentos. Almdas entradas mencionadas, h mais trs sinais de controle, todos ativos em nvelbaixo:

E L: latch enable input (habilita o latch): quando E L BAIXO, o estado dossegmentos (Oa at Og) determinado pelas entradas (DA, DB, DC, DD); casocontrrio, a sada e determinada pelos ltimos valores armazenados no latch;

48

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


B I : ripple blanking input (desativa o display): nvel BAIXO fora todos ossegmentos para nvel BAIXO;

Essas informaes podem ser resumidas na tabela verdade do dispositivo, Figura2.4, obtida nomanual 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 do tipo anodo comum, visto que os anodos de todos os segmentos estoconectados juntos em VCC

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

2.4 Pr-Relatrio


Conforme mencionado, o processo de simplificao de expresses lgicas pode serfeito atravs da Algebra de Boole ou atravs da utilizao do Mapa de Karnaugh.Essas duas abordagens, embora eficientes, so restritas problemas com baixo n-mero de variveis. Desta forma, procure na literatura como realizado o processode simplificao em problemas que possuem nmero elevado de variveis. Des-creva o procedimento de forma sucinta (no necessrio detalhar o processo). Nose esquea de mencionar a sua fonte bibliogrfica.


Nesta seo so descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulao o aluno pode utilizar o software de sua preferncia, como por

50

2.4. Pr-Relatrio

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



2.4.2.1 Projeto e Simulao 1

Um circuito digital desconhecido possui trs entradas e gera uma nica sada di-gital F. Para sintetizar este circuito montou-se no laboratrio a configurao mos-trada na Figura 2.6.

Gerador dePalavrasDigitais

Circuito DigitalDesconhecidoBlack Box

F

A

B

C

Figura 2.6: Montagem experimental para determinao do circuito digital.

Observe na Figura 2.6 que utilizado um dispositivo chamado de analisadorlgico. Um analisador lgico um instrumento eletrnico usado para visualizarno tempo os estados lgicos de vrios pontos de um circuito eletrnico digital. Ba-sicamente vrios canais de monitoramento so conectados a um circuito real e oresultado apresentado em uma tela de vdeo ou graficamente em papel atravs deuma impressora. Dessa forma pode-se analisar o comportamento e a temporizaode portas lgicas, contadores, registradores, processadores e demais componentesdigitais de um circuito.

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

Considerando as informaes expostas: Projete e simule o circuito combinaci-onal simplificado que satisfaz este diagrama. No se esquea de apresentar a

51


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

expresso lgica e o diagrama esquemtico do circuito. Alm disso, justifique oaparecimento de um deslocamento t no diagrama temporal da sada F.


Projetar e simular um circuito digital para informar os cinco ltimos nmeros doseu registro acadmico (RA ou matrcula). O dgito que dever ser apresentado nodisplay ser selecionado atravs de trs chaves. No projeto, as seguintes considera-es devem ser respeitadas:

Desprezar o trao (ou barra) presente no seu RA. Exemplo, 09/0037111 090037111.

Desprezar os ltimos quatro dgitos esquerda, de forma a deixar seu RAcom apenas 5 dgitos: Exemplo, 090037111 37111.

Para as entradas no previstas no projeto deve-se utilizar a condio que pro-porcione maior economia de portas lgicas, ou seja, o menor circuito possvel.

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

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

Observao: Cada aluno deve fazer um circuito para o seu RA especfico (por-tanto, em cada dupla, deve existir dois projetos diferentes), de forma que, no de-ver existir dois circuitos idnticos sob pena do aluno receber nota zero no pr-relatrio e ficar impedido de realizar o experimento.

52



Projete um sistema que multiplique um nmero binrio 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 no for possvel 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 ir acontecer nesses casos.

Considere: M=0 multiplicao por 2 e M=1 multiplicao por 3.


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

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas ascombinaes possveis de entradas para o circuito e anotando as sadas dodisplay;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada no foi obtida, executea metodologia de depurao elaborada para encontrar o problema. No seesquea de apresentar no relatrio o documento da metodologia de depurao;

4. Responda as seguintes perguntas:

Qual a maior dificuldade encontrada no projeto? Aps ter adquirido a ex-perincia em projetar este circuito, o que voc faria diferente para tornaro processo mais simples?

Se for preciso alterar o tipo do display utilizado de ctodo comum paranodo comum, de forma rpida, quais alteraes voc sugeriria no cir-cuito?

Foi preciso utilizar o documento metodologia de depurao? Se sim,quais tens foram equivocados e no ajudaram no processo de encontraro erro de montagem? Quais mudanas vocs propem nesse documentopara deix-lo mais eficiente?

53

EXPERIM

EN

TO

3CIRCUITOS SOMADORES E

SUBTRATORES

3.1 Objetivos

Familiarizao com a aritmtica binria e com a implementao de circuitos soma-dores binrios.

3.2 Circuitos Aritmticos

3.2.1 Introduo

Uma funo essencial da maioria dos computadores e calculadoras a realizaode operaes aritmticas. Essas operaes so realizadas em uma parte especficado hardware conhecida como Unidade Lgica e Aritmtica (ULA). Esta unidade formada por portas lgicas e flip-flops que combinados permitem a realizao desomas, subtraes, multiplicaes e divises de nmeros binrios. Esses circuitosrealizam essas operaes em uma velocidade considerada humanamente imposs-vel. Normalmente, uma operao de adio demora menos que 100 ns [TWM07].

A estrutura bsica de uma ULA est mostrada na Figura 3.1. O objetivo bsicode uma ULA receber dados binrios armazenados na memria e executar opera-es aritmticas e lgicas sobre esses dados, de acordo com instrues provenientesda unidade de controle. Assim, uma sequncia de operaes tpica de uma ULApode ocorrer conforme se segue:

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

2. O valor transferido da memria para o registrado B;

55

3. CIRCUITOS SOMADORES E SUBTRATORES

3. Os valores do acumulador e do registrador B so apresentados lgica deadio que executa a soma e armazena o resultado no acumulador;

4. O resultado pode ser mantido no acumulador para operaes subsequentes ouser transferido para a memria.

Entrada

Unidadelgica /

aritmtica

Controle Sada

Memria

dados, informao

dados, informao

sinais de controledados ou informao

Unidade Central de Processamento

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

A complexidade dos blocos funcionais da ULA mostrados na Figura 3.1 propor-cional complexidade do sistema em que ser utilizada; assim, sistemas simplespermitem o uso de ULAs simples e sistemas sofisticados exigem ULAs sofistica-das. Uma vez estabelecido o porte do sistema, existe tambm o compromisso entrevelocidade e preo. Por exemplo, as calculadoras eletrnicas exigem ULAs que per-mitem operaes complexas, porm com velocidade de operao baixa, reduzindo-seo custo; j os computadores de grande porte exigem velocidade de operao elevada,aumentando o custo da ULA.

Neste momento do curso, no entanto, no estamos interessados no estudo de-talhado de todos os blocos funcionais que formam uma ULA. Nosso foco, ento,ser apenas nos circuitos lgicos que realizam as operaes aritmticas de soma esubtrao.

3.2.2 Nmeros com sinais e o Sistema de Complemento de 2

Como a maioria dos computadores e das calculadoras digitais realiza operaestanto com nmeros positivos e negativos, necessrio representar, de algumaforma, o sinal do nmero (+ ou ). Existem vrias formas de obter essa representa-o. Uma das maneiras a representao denominada de sistema sinal-magnitude.Nesta forma de representao simplesmente adiciona-se ao nmero um outro bitdenominado de bit de sinal. Em geral, a conveno comum utilizar o bit 0 paranmero positivos e o bit 1 para nmeros negativos.

Embora o sistema sinal-magnitude seja uma representao direta, os compu-tadores e calculadores normalmente no o utilizam, porque esse sistema requera implementao de circuitos mais complexos. A maioria dos sistemas modernos

56

3.2. Circuitos Aritmticos

usa o sistema de complemento de 2 para representar nmeros negativos. Ocomplemento de 2 de um nmero obtido tomando o complemento de 1 do nmero(substituio de todos os 0s por 1s e 1s por 0s) e somando 1 na posio do bit menossignificativo.

O sistema de complemento de 2 para representao de nmeros com sinal fun-ciona da seguinte forma:

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

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

Esse sistema o mais utilizado para representar nmeros com sinal porquepermite realizar a operao de subtrao efetuando, na verdade, uma operao deadio. Desta forma, o sistema digital pode usar o mesmo circuito tanto na adioquando na subtrao, desse modo poupando hardware.

Para visualizar como esse procedimento funciona, basta lembrar que realizar asubtrao de (54) equivalente a realizar a seguinte operao de adio (5+ (4)).Portanto, para realizar a operao de soma ou subtrao que envolva nmerosnegativos, basta determinar o complemento de 2 dos nmeros negativos envolvidose realizar a operao de adio. O procedimento descrito abaixo ajuda na tarefa derealizar operaes no sistema de complemento de 2.

1. Represente os nmeros envolvidos em binrio puro;

2. Verifique a quantidade de bits da representao, se necessrio complete aseqencia de bits com zeros esquerda;

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

4. Realize a soma binria;

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

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

3.2.3 Circuitos Somadores

Existem diversos circuitos diferentes para implementar a operao aritmtica desoma, como por exemplo, o circuito meio somador, circuito somador completo, cir-cuito somador completo paralelo, entre outros. Na seo 3.3.1 deste roteiro sersolicitado ao aluno realizar uma pesquisa bibliogrfica para apresentar as caracte-rsticas de cada circuito somador existente.

57


3.2.4 Overflow Aritmtico

Ocorre sempre que uma operao aritmtica produz um nmero que necessita serexpresso emmais bits de magnitude do que est disponvel. Por exemplo, considereum sistema digital que trabalha com nmeros de 4 bits de magnitude e um bit desinal. Considere que seja necessrio realizar a adio de +9 (01001) com +8 (01000).Neste caso, tem-se como resultado o nmero (10001)B , que representaria o decimal1, enquanto que a resposta deveria ser +17, indicando obviamente um erro noclculo. Isso ocorre porque para representar a magnitude 17 necessrio mais doque os quatro bits disponveis, portanto ocorre o transbordamento do vai-um ouoverflow.

A condio de overflow pode ocorrer apenas quando dois nmeros positivos oudois nmeros negativos so 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 nmeros que esto sendo somados.

3.3 Pr-Relatrio


Realize uma pesquisa bibliogrfica sobre as diferentes configuraes de circuitossomadores existentes. Faa uma breve explicao sobre a teoria envolvida em cadaum deles, alm de uma comparao entre essas diferentes configuraes, desta-cando em cada caso as vantagens e desvantagens. DICA: Pesquisar sobre um cir-cuito denominado carry antecipado (look-ahead carry).


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



58

3.3. Pr-Relatrio


Projetar e simular um circuito que permita realizar o complemento de 1 de umnmero 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-o de complemento.

Desta forma, quando a operao de complemento no for desejada, o circuitodeve fornecer na sada exatamente o nmero de entrada (ver Figura 3.2). Assim, afuno realizada por esse circuito depende do valor da entrada de seleo SEL:

se SEL = 0, a funo selecionada a IGUALDADE e Z = A;

se SEL = 1, a funo selecionada 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.


Projetar e simular um circuito que seja capaz de detectar uma condio de overflow(Estouro de Capacidade) para ser usado com um circuito somador de nmeros comsinal, de trs bits, codificados na forma de complemento de 2.


Projetar e simular um circuito SOMADOR/SUBTRATOR de trs bits (incluindo obit de sinal) para nmeros com sinal, codificados na forma de complemento de 2,dado pelo bloco funcional mostrado na Figura 3.3. O circuito deve ter ainda umasada (E) que indica as situaes em que ocorreu um estouro de capacidade (over-flow). O resultado da operao deve ser exibido em um display de sete segmentos.Desta forma, a funo realizada por este circuito, que depende do valor da entradade seleo SEL, pode ser resumida da seguinte forma:

se SEL = 0, a funo selecionada a SOMA e S = A + B;

59


se SEL = 1, a funo selecionada a SUBTRAO e S = A + Complementode 2 de B.

A sada E indica a condio de Overflow.

A sada C4 o carry da operao, que pode ser utilizado para expandir acapacidade da operao atravs da associao com outros blocos somadores.

SOMADOR / SUBTRATOR

SE

A B

C4

SEL

3

33

Figura 3.3: Circuito Somador/Subtrator de trs bits.

DICAS:

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

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

Cuidado na etapa de verificao do circuito. Prepare tabelas contendo os va-lores de entrada e sada e siga-as, verificando se o circuito fornece a sadacorreta em todos os casos.

OPCIONAL: O circuito projetado ir fornecer na sada os valores negativos emsua forma de complemento de 2. Altere o seu projeto de forma que na sada osnmeros negativos no estejam nesta forma. Para indicar o sinal negativo utilizeo segmento de ponto do display de 7 segmentos.


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

1. Monte o circuito projetado na protoboard;

60


2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas ascombinaes possveis de entradas para o circuito e anotando as sadas dodisplay ou LEDs;

3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada no foi obtida, executea metodologia de depurao elaborada para encontrar o problema. No seesquea de apresentar no relatrio o documento da metodologia de depurao;

4. Observe, tambm, a ocorrncia de resultados invlidos. Caso existam, em quecondies eles ocorrem?

5. Responda as seguintes perguntas:

Quais as diferena entre o circuito projetado na Seo 3.3.2.3 e uma ULA(Unidade Lgica Arimtica) presente nos principais processadores?

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

61

EXPERIM

EN

TO

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 cdigos

4.2.1 Introduo

Atualmente, o termo digital tornou-se parte do nosso vocabulrio dirio devido aomodo intenso pelo qual os circuitos digitais e as tcnicas digitais passaram a seramplamente utilizadas em quase todas as reas: computadores, automao, robs,transporte, telecomunicaes, entre outras.

No entanto, a maioria dos sistemas digitais trabalham com as informaes codi-ficadas em bits. O homem, por outro lado, que interage com esses sistemas, no capaz de interpretar com rapidez uma informao nessa codificao. Por exemplo,imagine voc trabalhando em seu computador escrevendo um relatrio de sistemasdigitais e, ao invs de digitar as palavras em um teclado alfanumrico como estacostumado, tivesse que entrar direto com o cdigo ASCII, cdigo que o computa-dor trabalha internamente, de cada letra. Com toda certeza levaria horas nessatarefa! E ler seu relatrio na tela com todo o texto apresentado em formato ASCII?Praticamente impossvel!!

Adicionalmente, a necessidade de interao homem - sistema digital no nica,existe tambm a necessidade de interao entre os diferentes tipos de sistemas digi-tais. Devido a diversidade das informaes existentes e a diversidade dos sistemasdigitais, a necessidade de troca de informao entre esses diferentes sistemas

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4. CIRCUITOS CODIFICADORES E DECODIFICADORES

muito grande. No entanto, um sistema pode no entender a informao ou o cdigoutilizado pelo outro sistema.

Desta forma, fundamental a existncia de circuitos que convertam a informa-o de um cdigo para outro. Os circuitos que realizam essa funo so conhecidoscomo circuitos codificadores e decodificadores. Estes so circuitos combinacionaisdedicados: circuitos comuns em projetos de sistemas digitais devido s funeslgicas que executam, podendo ser encontrados prontos em circuitos integrados co-merciais. De forma geral, pode-se definir o codificador como um circuito lgico que,como o prprio nome o diz, codifica uma informao que se encontra em um formatotrivial, para um outro formato, nem tanto trivial, mas especializado, usando um pa-dro de converso de tipo de cdigo. O decodificador, por sua vez, traz a informaode um formato de cdigo especializado para um formato de cdigo mais trivial.

Para a parte terica e assuntos referente ao projeto dos circuitos codificadores -decodificadores o aluno dever se referir s notas de aula da parte terica e/ou sreferncias bibliogrficas apresentadas no final deste roteiro.

4.2.2 Cdigos

So vrios os cdigos dentro do campo Eletrnica Digital, existindo situaes emque a utilizao de um vantajosa em relao a outro. A Tabela 4.1 apresenta al-guns exemplos de representao de nmeros decimais em cdigos binrios bastanteusados na prtica.

Os cdigos das duas primeiras colunas da tabela so chamados cdigos ponde-rados, uma vez que a cada bit atribudo um peso. O cdigo da primeira coluna o mais comum e chamado cdigo 8421 ou BCD (Binary-Coded-Decimal).

Tabela 4.1: Exemplos de cdigos mais frequentes.

DECIMAL8 4 2 1(BCD)

2 4 2 1EXCESSO

DE 32 EM 5 BIQUINRIO

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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4.3. Pr-Relatrio

Alm dos cdigos apresentados existem, por exemplo, o cdigo Gray, o cdigoJohnson, o cdigo ASCII, entre outros.

4.3 Pr-Relatrio


Pesquise as principais aplicaes que empregam os cdigos apresentados na Seo4.2.2. Se possvel, em cada caso, procure destacar a vantagem da utilizao de umcdigo em relao aos outros.


Nesta seo so descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Naetapa de simulao o aluno pode utilizar o software de sua preferncia, como porexemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-dos: o nome do software utilizado, os diagramas de simulao desenvolvidos comtodas a

apostila labsd1 full 20151

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