Apostila Labsd1 Full 20151

Laboratório de Sistemas Digitais I Apostila 2015.1

Professores

Fabiano Araújo Soares José Felício da Silva Marcus Chaffim Renato Lopes

UnB - FGA Março de 2015

Conteúdo I Apresentação e Regras Gerais

5

1 Uso do Laboratório e Normas de Documentação 1.1 Considerações Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Normas para Elaboração de Pré-relatórios . . . . 1.3 Normas para Elaboração de Relatórios . . . . . . 1.4 Regras de Uso do Laboratório . . . . . . . . . . . .

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7 7 8 9 13

2 Familiarização com a Bancada 2.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Parte Experimental . . . . . . . . . . . . 2.3 Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Material para Montagem de Circuitos 2.5 Chaves (ou switches) . . . . . . . . . . .

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15 15 15 16 18 21

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II Experimentos

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1 Caracterização de Portas Lógicas 1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Portas Lógicas e Circuitos Integrados 1.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . .

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25 25 25 37 39

2 Circuitos Lógicos Combinacionais 2.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Circuitos Lógicos Combinacionais 2.3 Displays . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . 2.5 Roteiro Experimental . . . . . . .

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45 45 45 47 50 53

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55 55 55 58 60

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3 Circuitos Somadores e Subtratores 3.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Circuitos Aritméticos . . . . . . . . . 3.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Roteiro Experimental . . . . . . . .

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4 Circuitos Codificadores e Decodificadores 1

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63

4.1 4.2 4.3 4.4

Objetivos . . . . . . . . . . . . . . Circuitos conversores de códigos Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . Roteiro Experimental . . . . . .

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63 63 65 66

5 Circuitos Multiplexadores e Demultiplexadores 5.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Circuitos Multiplexadores . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . .

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69 69 69 73 75

6 Flip-Flops 6.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . 6.2 Circuitos Lógicos Seqüenciais 6.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . 6.4 Roteiro Experimental . . . . .

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77 77 77 80 81

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83 83 83 87 88

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7 Circuitos Contadores Síncronos e Assíncronos 7.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Circuitos Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . .

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IIIProjetos Finais

91

I

93 93 94 95

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

1 ULA 1.1 Introdução . . . . . . . . . . . 1.2 Projeto Básico . . . . . . . . . 1.3 Exemplos de Funcionamento 1.4 Desafios Adicionais . . . . . .

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97 97 97 98 98

2 Gerador de Onda Quadrada Programável 101 2.1 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 2.2 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3 Testador de CIs 103 3.1 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.2 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4 Controle de Motor de Passo 105 4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2

CONTEÚDO 4.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5 Freqüencímetro 5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

109 109 110 111

6 Verificador de Senhas 113 6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 6.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 7 Detector e Corretor de Erros 7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117 117 118 119

Bibliografia

121

IV Anexos

123

A Pinagem de CIs 74’xxx

125

B Depurando Circuitos 139 B.1 Considerações Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 B.2 O Processo de Depuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

3

Parte I Apresentação e Regras Gerais

5

MBIENTAÇÃO

A

U SO

1.1

DO

1

L ABORATÓRIO E N ORMAS DE D OCUMENTAÇÃO

Considerações Gerais

O laboratório é um complemento essencial das aulas teóricas. Assim, os experimentos estarão sincronizados, na medida do possível, com os tópicos vistos previamente em sala de aula. Os roteiros dos experimentos estarão disponíveis na plataforma Moodle uma semana antes da realização da prática, com o intuito de permitir a conclusão das tarefas solicitadas. Os experimentos serão realizados por uma dupla que permanecerá a mesma durante todo o semestre. Caso haja desistência ou trancamento da disciplina por um aluno da dupla, haverá uma reordenação de dupla (caso dois alunos se encontrem na mesma situação), ou o aluno continuará a realizar os experimentos só. Não será permitida a formação de trios. Para a realização dos experimentos, os alunos deverão apresentar um pré-relatório correspondente à prática que será realizada. No início de uma aula típica, os alunos entregarão ao professor dois documentos: (I) o pré-relatório correspondente ao experimento do dia e (II) o relatório do experimento anterior. A dupla que não apresentar o pré-relatório - ou apresentá-lo incompleto - não poderá realizar o experimento, obtendo consequentemente nota zero na pratica em questão. Neste caso não haverá reposição do experimento

1.1.1 Localização e Disponibilidade O laboratório usado para os experimentos está localizado no prédio da UED, no piso térreo. O laboratório pode ser utilizado pelos alunos em outros horários que 7

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N ORMAS

DE

D OCUMENTAÇÃO

não sejam o da aula, desde que: • Não haja outra aula no horário pretendido; • Seja preenchido o formulário de agendamento com o técnico; • Tenha a presença de um monitor da disciplina para acompanhar as atividades. Sem horário agendado o aluno não poderá utilizar as dependências do laboratório A dupla terá à disposição todo material necessário para a realização dos experimentos, incluindo a protoboard e os CIs.

1.2

Normas para Elaboração de Pré-relatórios

O tempo de aula em laboratório é um tempo que não deve ser desperdiçado. É a chance que o aluno tem de enfrentar dificuldades inesperadas, aprimorar as habilidades de depuração e uso do raciocínio lógico para resolver problemas na presença do professor. É de grande importância, portanto, o planejamento prévio e a utilização de uma documentação adequada. O pré-relatório é um documento direcionado para a execução do experimento. Em geral, no pré-relatório o aluno deverá realizar simulações dos circuitos presentes no experimento e responder questões referentes à pratica a ser realizada. O pré-relatório é por dupla e de formato livre. Entretanto, deve ser entregue grampeado e conter: 1. Cabeçalho com identificação completa do documento, contendo: • Nome e código da disciplina; • Número e título do experimento; • Turma de laboratório; • Nome, assinatura e matrícula do autor; • Local e data. 2. Respostas às perguntas do roteiro, devidamente identificadas; 3. Tabelas e diagramas devidamente identificados, incluindo as tabelas de conexão; 4. Diagramas esquemáticos dos circuitos simulados, seguindo as mesmas normas dos especificados para o relatório. 8

1.3. Normas para Elaboração de Relatórios

1.3

Normas para Elaboração de Relatórios

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

1.3.1 Estrutura do Relatório O relatório é da dupla que realizou o experimento. O mesmo deve ser entregue grampeado, com todas as páginas numeradas. Figuras, gráficos e tabelas devem ter título e numeração. Exemplo: “Figura 2.1 - Diagrama lógico do circuito somador”. O relatório deve ter a seguinte estrutura: 1. Capa, contendo: • Nome e código da disciplina; • Número e título do experimento; • Turma de laboratório; • Nome, assinatura e matrícula dos autores; • Local e data. 2. Sumário, apresentando as partes constituintes do relatório com as respectivas paginações. 3. Introdução, indicando a delimitação do tema, apresentando a justificativa descrevendo o propósito do relatório. 4. Objetivos • Objetivo geral, mostrando a finalidade do trabalho e apresentando uma visão geral do tema em estudo. • Objetivos específicos, apresentando detalhadamente o que se espera obter do experimento. 5. Parte Experimental , contendo no mínimo os seguintes itens: • Materiais utilizados (componentes, equipamentos e bancada usada); • Procedimento experimental: descrever a(s) metodologia(s) empregada(s) durante a realização a prática. Exemplo: “Realizou-se o procedimento de acordo com o item 3.2.1 do roteiro, com as seguintes etapas: – Montou-se o circuito da Prancha 01 na protoboard, utilizando-se a lista de conexões das Tabelas 3 a 5. Como não se testaram as conexões durante o processo de montagem, nada funcionou. – Percebeu-se que a fonte DC estava desligada. Em seguida, ligou-se a fonte, porém não verificou-se o nível de tensão na saída do equipamento. Como a mesma se encontrava em 30 V e já estava conectada à protoboard, isto causou a queima de todos os CIs. 9

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– Após trocar todos os CIs e ajustar a tensão da fonte em 5 V, o circuito passou a funcionar, porém de maneira incorreta, pois o LED1 sempre se encontrava aceso independentemente do posicionamento das chaves CH1 e CH2. – Detectou-se que um dos CIs, o 74LS04, não se encontrava aterrado. Após realizar a conexão do pino 07 com a linha de terra na protoboard, o circuito passou a funcionar corretamente.” • Resultados obtidos: fazer uma descrição detalhada dos resultados encontrados em forma de figuras, gráficos e tabelas. 6. Discussão sobre os resultados encontrados, comentando detalhadamente as medições realizadas e dando a devida interpretação destas, informando se os objetivos da experimento foram alcançados. Esta é uma das partes mais importantes do relatório: aqui, há oportunidade para expressar os conhecimentos adquiridos na prática e fazer a interrelação com os fundamentos teóricos. 7. Conclusões, mostrando os êxitos e eventuais problemas encontrados na realização do experimento, indicando as limitações, apresentando recomendações e/ou sugestões. 8. Referências Bibliográficas, relacionadas e citadas de acordo com as normas da ABNT. 9. Tabelas de Conexão. Todos os dispositivos usados devem ter suas posições na protoboard anotadas, assim como as conexões realizadas. Para agilizar o trabalho de montagem, sugerimos fortemente que os alunos criem previamente tabelas com um descritivo das conexões que serão realizadas. Para circuitos simples, a prática pode parecer desnecessária; porém, a complexidade dos circuitos aumenta ao longo do curso e a organização e presteza durante a montagem tornam-se essenciais. Por exemplo, suponha que o circuito montado em sala seja o da Figura 1.1. Neste circuito hipotético, há três componentes (74LS00, 74LS04 e LED1), portanto há três tabelas de conexão. Cada uma tem tantas linhas quanto o número de pinos do componente. Um exemplo está na Tabela 1.1. Deve-se observar que as tabelas de conexão devem estar coerentes com os diagramas esquemáticos dos circuitos. 10. Diagramas Esquemáticos. Todos os diagramas devem ser inseridos ao final do relatório em páginas separadas do texto, indicando a identificação do circuito, autor, revisor, versão e datas relevantes. Para o tamanho dos diagramas, há apenas duas opções: dois diagramas por página (orientação retrato, para circuitos mais simples) ou um único diagrama por página (orientação paisagem, para circuitos mais complexos). 10

1.3. Normas para Elaboração de Relatórios

Os diagramas devem conter a pinagem e identificação de todos os componentes, como mostrado na Figura 1.2. 74LS00 - Posição A1 De pino

Para

... P03 ... P07 ... P14

... B2.74LS04.P01 ... GND ... Vcc

Tabela 1.1: Exemplo de tabela de conexão.

Figura 1.1: Exemplo de montagem na protoboard.

Cabe aqui listar alguns princípios orientadores para desenhar diagramas esquemáticos: 11

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VCC

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1

CH1

1

VCC

74LS00

74LS04 74LS86

2

1

3

3

LED 1

R1 = 100KΩ

LED 2

R2 = 100KΩ

LED 3

R3 = 100KΩ

LED 4

R4 = 100KΩ

2

2 GND 74LS32

VCC

74LS00

1

3

2

CH2

4

6

5

GND VCC

74LS00 9 8

CH3

10

PULSO

GND

74LS86

VCC

4

74LS32 4

6

12

5

CH4

74LS00

6

5

11

13

GND

UnB-FGA LAB SD1

P RANCHA 01 Circuito acendedor de LEDs

Versão

Data

1.0

31/01/2010

Elaborado por

Fulano

Revisado por

Beltrano

Figura 1.2: Exemplo de diagrama esquemático. • O esquemático não deve ser ambíguo. Assim, todos os pinos, valores de componentes, polaridades, etc., devem ser explicitados para evitar confusão. • As diferentes funções desempenhadas pelo circuito devem se localizar em regiões distintas. Use este princípio sempre, mesmo que ao custo de deixar algumas áreas em branco para separar visualmente os grupos funcionais. Se necessário, divida o seu projeto em mais de um esquemático. Use uma seta (por exemplo ➱) para indicar sinais que vão de um diagrama a outro. • Use um ponto para indicar conexões entre fios. • Sempre que possível, alinhe os componentes na horizontal ou vertical. • Coloque a pinagem dos CIs sempre do lado de fora do símbolo.

I MPORTANTE • Não será admitido plágio de qualquer espécie. Caso detectado, será punido com nota zero. • O prazo de entrega do relatório é de uma semana a partir da data da realização do experimento.

12

1.4. Regras de Uso do Laboratório

1.4

Regras de Uso do Laboratório

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

1.4.1 Ao entrar em sala 1. Guarde sua mochila no armário. Leve para a bancada apenas o necessário para realizar o experimento. Seu notebook, tablet ou smartphone não são essenciais. 2. Não use saia, bermuda ou calçados abertos, principalmente chinelos. Vá para o laboratório usando calçados com sola de material isolante.

1.4.2 Durante o experimento 1. É expressamente proibido o consumo de comida e bebida. Em hipótese alguma deixe estes itens sobre a bancada. 2. Não use anéis, pulseiras e brincos com pingentes ou argolas. 3. Caso tenha cabelos compridos, mantenha-os amarrados. 4. Evite o uso de lentes de contato. 5. Mantenha as mãos sempre limpas e secas. 6. Antes de energizar o circuito, verifique se as conexões entre os elementos não contém curtos-circuitos. 7. Evite ao máximo manusear circuitos energizados. 8. Desconecte a fonte de tensão ao realizar quaisquer modificações nos circuitos. 9. Caso sinta cheiro de queimado ou se perceber qualquer sinal de fumaça, desligue imediatamente os interruptores da bancada. 10. Não obstrua os interruptores com qualquer tipo de objeto. O acesso aos mesmos deve ser rápido em caso de emergência.

Os alunos não devem pedir ajuda ou tirar dúvidas sobre a montagem do experimento com os técnicos do laboratório 13

1. U SO

DO

L ABORATÓRIO

E

N ORMAS

DE

D OCUMENTAÇÃO

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 laboratório. 4. Deixe a bancada perfeitamente limpa e organizada. Os alunos que deixarem as bancadas desorganizadas perderão pontos na nota final do experimento

14

MBIENTAÇÃO

A

F AMILIARIZAÇÃO 2.1

COM A

2

B ANCADA

Objetivos

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

2.2

Parte Experimental

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

2.2.1 A bancada Como regra geral, uma bancada comporta apenas dois alunos. Apenas em casos excepcionais (por exemplo, falha de algum equipamento essencial) será permitido que três alunos ocupem o mesmo espaço. Cada bancada possui os seguintes equipamentos, que devem estar conectados às tomadas: • 1 Osciloscópio BK Precision modelo 2530; • 1 Gerador de funções iCEL modelo GV-2002; • 1 Fonte de tensão Minipa modelo MPL-1303; • 1 Fonte de tensão Minipa modelo MPL-3305M. Identifique cada um destes equipamentos, assim como os alicates, extrator de CIs e os repositórios para fios. A bancada possui dois interruptores, um referente à tensão de 110 V AC e outro para a de 220 V AC . Ao ligar cada interruptor, uma luz de aviso acenderá, indicando que a linha de tensão correspondente está disponível para energizar os equipamentos. 15

2. FAMILIARIZAÇÃO

COM A

BANCADA

Atividade 1 • Ligue e desligue os interruptores de sua bancada. Informe o professor caso a luz de aviso não acenda. • Ligue novamente os interruptores e, em seguida, todos os equipamentos da bancada. Caso encontre algum equipamento desconectado ou sem indicação de energização, avise o professor ou o monitor.

2.3

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

2.3.1 Multímetro O multímetro será o seu principal equipamento para inspecionar o funcionamento do circuito. Manuseie-o corretamente e com cuidado. Como qualquer equipamento de laboratório, deve ser operado corretamente sob risco de danificá-lo ou mesmo inutilizá-lo.

Figura 2.1: Multímetro digital

Atividade 2 • Ligue o multímetro. Em sequência, de acordo com as instruções do professor, selecione as diversas funções do equipamento (medida de tensão DC, AC, resistência, teste de LED, medida de corrente). • Desligue o multímetro. 16

2.3. Equipamentos

2.3.2 Fontes de tensão DC Este é o equipamento que fornecerá energia para os circuitos projetados. As fontes disponíveis no laboratório têm pelo menos dois terminais com cores distintas: um preto, usado para o nó terra; e outro vermelho, usado para a tensão de alimentação dos CIs ou VCC .

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

Atividade 3 • Ligue a fonte de tensão MPL-1303. Ajuste o nível de tensão para 5.0VDC . Usando o multímetro, selecione a função adequada e meça o valor entre os terminais preto e vermelho. • Repita o procedimento para a fonte de tensão MLP-3305M.

2.3.3 Gerador de Funções Este equipamento tem como função fornecer tensões variantes no tempo, de acordo com uma função pré-definida. Notem a terminação BNC.

Figura 2.3: Gerador de funções GV-2002.

17

2. FAMILIARIZAÇÃO

COM A

BANCADA

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

Figura 2.4: Osciloscópio BK 2530.

Atividade 4 • Siga as orientações do professor para conectar a ponta de prova do osciloscópio no cabo BNC-jacaré. • Em seguida, visualize as formas de onda quadrada, senoidal e triangular na frequência de 10 KHz e amplitude de 5VPP (pico a pico). • Repita para 100 KHz e 3VPP .

2.4

Material para Montagem de Circuitos

2.4.1 Protoboard ou matriz de contato A protoboard nada mais é do que um pequeno painel que permite realizar conexões elétricas entre componentes por intermédio de fios (tipicamente 22 AWG a 24 AWG). Recomendamos que cada dupla adquira uma protoboard, de modo a aproveitar melhor o tempo de aula. A protoboard é composta por faixas de pontos de conexão, existindo tipicamente dois tipos de faixas. O primeiro é chamado faixa tipo soquete. Neste tipo de soquete, grupos de 5 furos são conectados eletricamente por contatos internos. Entre dois 18

2.4. Material para Montagem de Circuitos

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b

b b

b

b

b

b

b

b b

b

b b

b

b

b

b

b

b

b

b b

b

b

Figura 2.5: Conexões na protoboard. grupos de 5 furos há um espaçamento maior destinado a permitir a inserção de CIs na protoboard, como mostrado na Figure 2.5. O segundo tipo de faixa é chamada de faixa tipo alimentação. Neste caso, grupos maiores de pinos estão conectados eletricamente, permitindo facilitar a distribuição de sinais comuns, tais como tensão de alimentação e terra. Atividade 5 • Identifique as faixas da protoboard em sua bancada. • Com o multímetro na função de ohmímetro, verifique o isolamento (ou curto) nos furos das faixas de soquete e de alimentação. Use dois jumpers para facilitar o processo.

2.4.2 Cabos e fios Os fios usados para conexão na protoboard estão disponíveis nas caixas das bancadas. Antes de utilizá-los, verifique se: • Estão desencapados nas extremidades. As pontas devem ser de comprimento tal que, ao encaixar o fio na protoboard, a ponta desencapada não fique exposta. • Os fios não estão quebrados. Em caso de suspeita, faça o teste com o multímetro. Ao utilizar os fios, não use fios longos para conexões entre componentes que estão próximos. Use o bom senso. Não deixe os fios muito esticados, pois a tendência é que eles escapem nos furos. Caso adquire em uma loja, recomenda-se comprar ’jumpers’ (do tipo macho) de vários tamanhos. Os cabos são usados para conectar os equipamentos de bancada entre si ou à protoboard. Use cabos vermelhos para o terminal positivo da fonte de tensão e os pretos para o terminal negativo ou terra. Havendo cabos verdes, use-os especificamente para conexões no terminal terra (GND) dos equipamento. 19

2. FAMILIARIZAÇÃO

COM A

BANCADA

O multímetro e o osciloscópio possuem cabos de conexão especiais chamados de pontas de prova. Em particular, as pontas de prova de osciloscópio são parte essencial do equipamento e devem ser manuseadas com cuidado. As terminações dos cabos disponíveis são de 4 tipos: • Banana - para conexões às fontes de alimentação ou à protoboard; • Jacaré - para conexões às fontes de alimentação ou à protoboard; • BNC - para conexões ao osciloscópio ou ao gerador de funções; • Pin - para conexões à protoboard. Há cabos com terminações diferentes: BNC-banana, banana-pin, banana-jacaré, etc. Use o adequado para cada caso. Quando uma das terminações é BNC e a outra não, sempre haverá uma terminação com terminação preta. A ponta de cor preta deve estar conectada ao terra do circuito. Atividade 6 • Identifique os cabos disponíveis em sua bancada. Sem ligar qualquer equipamento, conecte à protoboard uma das fontes de alimentação. Verifique se há mais de uma opção de terminação de cabo para tanto.

2.4.3 Resistores Neste laboratório, os resistores serão utilizados exclusivamente com um único propósito: limitar o nível de corrente nos diodos LED. Em sua bancada, deve haver uma tabela de código de cores para resistores. Atividade 7 • Selecione dois resistores e tome os valores usando o código de cores. • Confira o valor lido com a medição no multímetro. • Em seguida, conecte-os nas associações série e em paralelo na protoboard. Meça a resistência de cada associação com o multímetro.

2.4.4 Diodos (LEDs) Os LEDs utilizados no laboratório têm como função representar visualmente um nível lógico. O LED é um dispositivo com dois terminais, denominados anodo (A) e catodo (K). Para que o LED conduza corrente (e neste caso emita luz), a tensão entre os terminais deve ser tal que o anodo esteja em uma tensão positiva VT com relação ao catodo, em torno de 2 V. Fisicamente, o terminal K pode ser identificado por um pequeno chanfro no encapsulamento. Outra forma de identificar a polaridade do LED é pelo tamanho do terminal A, que tem comprimento maior. 20

2.5. Chaves (ou switches)

i AK

LED A

i AK

K V AK

VT

V AK

Figura 2.6: Diodo - representação e curva característica simplificada. Atividade 8 • Teste o funcionamento do LED com o multímetro.

2.4.5 CIs Em aulas posteriores detalharemos as características dos CIs usados neste curso. Por hora, basta saber que, na protoboard, a configuração das faixas do tipo soquete e o espaçamento dos furos permite a inserção exata dos CIs. Atividade 9 • Insira um CI na protoboard. Verifique o encaixe e em seguida retire-o com o extrator.

2.5

Chaves (ou switches)

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

VCC

Para o circuito GND

Figura 2.7: Chave de três pinos.

21

2. FAMILIARIZAÇÃO

COM A

BANCADA

Atividade 10 • Ajuste a fonte de tensão para 5VDC . • Confirme a medição com o multímetro. • Insira uma chave na protoboard, de modo que seus três pinos não estejam em curto-circuito. • Desligue a fonte e a conecte à protoboard. • Conecte um dos terminais externos da chave à tensão de 5V e o outro terminal externo à tensão de 0V. • Conecte em série ao terminal central um resistor de 1KΩ e um LED. • Ligue a fonte. Com o multímetro, meça a tensão no terminal central, com relação ao terra. Verifique se o LED acendeu. • Meça a tensão no LED e no resistor. Verifique a Lei das Tensões de Kirchoff. Atividade 11 (havendo tempo) • Ajuste a fonte de tensão para 2.0VDC . • Ajuste o gerador de funções para onda senoidal, com 2.0VPP , frequência de aproximadamente 1 Hz. • Monte o circuito da figura abaixo, com a fonte e o gerador desligados.

2.0VDC

1.0 K Ω

4.0VPP

LED

• Ligue a fonte. • Ligue o gerador. • Observe no osciloscópio a forma de onda no LED.

22

Parte II Experimentos

23

XPERIMENTO

E

C ARACTERIZAÇÃO

1.1

1

P ORTAS L ÓGICAS

DE

Objetivos

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

1.2

Portas Lógicas e Circuitos Integrados

1.2.1 Introdução A tecnologia de integração de componentes eletrônicos em uma única pastilha de silício permite a fabricação dos chamados circuitos integrados ou CIs. CIs digitais são simplesmente uma coleção de componentes discretos (tais como resistores, capacitores, diodos e transistores) fabricados em um substrato de material semicondutor, conhecido como pastilha ou chip. No contexto de sistemas digitais, o interesse principal é a implementação, na forma de circuitos, das funções booleanas. Para implementar funções booleanas de complexidade simples ou moderada, dispomos de CIs que realizam funções elementares, tais como AND, NAND, OR, NOR, NOT e XOR. Estes CIs podem ser interpretados como blocos funcionais, possibilitando ao projetista trabalhar com o nível de abstração correspondente ao chamado de portas lógicas. Como exemplo, na Figura 1.1 apresenta-se a implementação de uma porta inversora (NOT) usando componentes discretos. Nota-se que a simples montagem deste circuito requer 4 resistores, 4 transistores e 2 diodos - ou 10 elementos de circuito. Porém, quando utilizamos um CI do 25

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

Vcc (14) R1 3.6K Ω

R2 1.6K Ω

R4 115Ω

Q4

Q1

Q2

D2

IN (1)

OUT (2) Q3

D1 R3 1K Ω

GND (7)

Figura 1.1: Implementação de uma porta inversora usando lógica TTL. tipo 7404 dispomos de seis portas NOT e tipicamente não precisamos nos preocupar em como o CI implementou a função NOT1 . O que pode nos interessar é se a implementação realizada com este CI satisfaz nossos critérios de projeto, tais como frequência de operação e níveis de tensão dos sinais de entradas e saída.

1.2.2 Classificação de CIs Uma das maneiras de se classificar CIs é pela quantidade de portas lógicas implementadas no substrato semicondutor, como mostrado na Tabela 1.1. Esta é uma medida da complexidade funcional e de fabricação. Como exemplo, as funções booleanas elementares AND, OR, NOT, NAND e NOR encontram-se implementadas em CIs de pequena escala de integração, ou circuitos do tipo SSI. Tabela 1.1: Classificação de CIs pelo número de portas lógicas. S IGLA

S IGNIFICADO

N ÚMERO

DE PORTAS LÓGICAS

SSI

Small-scale Integration

Menor que 12

MSI

Medium-scale Integration

12 a 99

LSI

Large-scale Integration

100 a 9.999

VLSI

Large-scale Integration

10.000 a 99.999

ULSI

Ultra large-scale Integration

100.000 ou mais

Uma segunda maneira de se classificar CIs é em analógicos, digitais e mistos (‘mixed signal’). Na categoria digital, encontram-se: as portas lógicas, os flip-flops, os multiplexadores, os microprocessadores, os microcontroladores, os DSPs (‘digital 1 Porém,

26

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

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados

signal processors’), dentre outros. Esses CIs contêm circuitos formados por resistores, diodos e transitores miniaturizados, diferenciando-se dos circuitos integrados ditos analógicos pelo fato de que nos digitais os transistores só possuem dois modos estáveis de operação (corte e saturação), ficando muito pouco tempo nas regiões de transição. Portanto, idealmente, é dito que os transistores operam como chaves. Os CIs analógicos são tipicamente sensores, circuitos de potência, amplificadores operacionais (Amp-Ops), misturadores (‘mixers’) e filtros. Os mistos têm como representante clássico os conversores de sinal A/D (analógico-para-digital) e D/A (digital-para-analógico). A terceira maneira comum de classificação, também chamada de família, referese ao tipo de tecnologia de fabricação do CI. Alguns exemplos de famílias são: • RTL (Resistor Transistor Logic) • RCTL (Resistor Capacitor Transistor Logic) • DTL (Diode Transistor Logic) • TTL (Transistor Logic) • CMOS (Complementary Metal Oxid Semiconductor) • ECL (Emitter Coupled Logic) Para cada família, há subfamílias com características específicas. Em particular, apresentamos a seguir as subfamílias TTL e CMOS. 1.2.2.1 Família TTL A família TTL é dividida em dois grandes grupos: o primeiro, voltado para a versão comercial (com prefixo de código 74) e o segundo, para a versão militar (prefixo 54). Os avanços nas técnicas de fabricação levaram a uma subdivisão dos CIs TTL em subfamílias, tais como: Tabela 1.2: Subfamílias TTL. S UBFAMÍLIA

Standard

P REFIXO 54/74

O BSERVAÇÃO Série padrão

Low Power

54L/74L

Baixa potência

Schottky

54S/74S

Rápido

Advanced Schottky

54AS/74AS

Rápido

Low Power Schottky

54LS/74LS

Baixa potência

54ALS/74ALS

Baixa Potência

Advanced Low Power Schottky Fast

54F/74F

Rápido

27

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

1.2.2.2 Família CMOS Atualmente, a família de CIs mais usada é a CMOS, por ter baixo consumo de potência e boa imunidade a ruído. Assim como a família TTL, é dividida em subfamílias: Notem que há CIs CMOS compatíveis com CIs TTL (mesma pinagem e Tabela 1.3: Subfamílias CMOS. S UBFAMÍLIA CMOS

High-speed CMOS High-speed, TTL compatible Advanced CMOS

P REFIXO 74C 74HC 74HCT 74AC

O BSERVAÇÃO Série padrão Rápido Compatível com TTL Rápido

Advanced CMOS, TTL compatible

74ACT

Compatível com TTL

Advanced High-speed CMOS

74AHC

Rápido

Very High-speed CMOS

74VHC

Rápido

Very High-speed CMOS TTL compatible

74VHCT

Compatível com TTL

74LVC

Baixa tensão de alimentação

Advanced Low-voltage CMOS

74ALVC

Baixa tensão de alimentação

Advanced Ultra-low Power CMOS

74AUP

Aplicações portáteis

Low-voltage CMOS

Fast CMOS

FCT

Rápido

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

1.2.3 Tipos de Encapsulamento de CIs A pastilha de silício que contém o CI pode ser encapsulada (ou empacotada) de diversas formas, de acordo com as necessidades mais comuns de confecção das placas de circuito impresso. A que será utilizada neste curso é chamada de encapsulamento em linha dupla ou DIP (dual in-line package), na qual o CI tem duas filas de terminais paralelos. Os terminais de um CI DIP podem ser identificados da seguinte forma: olhando o circuito de cima, nota-se um pequeno chanfro em uma das extremidades entre os pinos, indicando a parte superior do CI. Por convenção, ao lado esquerdo do chanfro encontra-se o pino 1. Em alguns CIs (com encapsulamento de plástico) há ainda um pequeno círculo ao lado do pino 1. A numeração é feita em sentido anti-horário, como mostrado na Figura 1.2. Para se determinar a função de cada um dos terminais deve-se 28


14

7 1

1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

Figura 1.2: Encapsulamento DIP de 14 pinos: vista em perspectiva e superior. analisar o data sheet do componente (ver seção 1.2.4), como exemplo a Figura 1.3 mostra a identificação dos terminais do CI 74LS32 (CI com quatro portas OR de duas entradas). Observe nesta figura que os pinos 14 (VCC) e 7 (GND) devem ser ligados à fonte de alimentação nos terminais positivo e negativo, respectivamente. 14

13

12

11

10

9

2

3

4

5

6

8

VCC

GND 1

7

Figura 1.3: Identificação dos terminais do CI 74LS32 (vista superior). O encapsulamento DIP é usado em CIs com número relativamente baixo de pinos. Tipicamente, usa-se este encapsulamento para CIs de até 40 pinos. Circuitos com um número maior de pinos, tais como os microprocessadores comerciais atuais, exigem uma estratégia diferente, aproveitando todo o espaço possível da cápsula para alocar os pinos. Assim, encontram-se disponíveis montagens de superfície quadradas, tais como BGA e QFP; outros tipos de encapsulamento comuns para CIs encontram-se listados na Tabela 1.4. Mais recentemente, o encapsulamento LGA (Land Grid Array), Figura 1.4, introduziu a novidade de se deixar os pinos no soquete onde o CI será inserido (por 29

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

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

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

Tabela 1.4: Algumas variantes de encapsulamento de CIs. S IGLA

S IGNIFICADO

S IGLA

S IGNIFICADO

BGA

Ball Grid Array

LQFP

Low-profile Quad Flat Package

CDIP

Ceramic DIP

MDIP

Molded DIP

CFP

Ceramic Flat Pack

PDIP

Plastic DIP

CGA

Column grid array

PGA

Pin Grid Array

CPGA

Ceramic Pin Grid Array

PLCC

Plastic Leaded Chip Carrier

DIP

Dual Inline Package

SIP

Single in-line Package

LCC

Leadless Chip Carrier

SOP

Small Outline Package

LGA

Land Grid Array

ZIP

Zig-zag in-line package

1.2.4 O ‘Data Sheet’ As informações importantes para o correto uso de um CI encontra-se em uma breve especificação funcional (ou manual) chamada de ‘data sheet’. Cada fabricante disponibiliza o data sheet correspondente ao produto manufaturado. Vale a pena mencionar que, independentemente do fabricante, alguns parâmetros básicos são sempre fornecidos e têm o mesmo nome, de modo a possibilitar ao projetista realizar a interconexão entre CIs de fornecedores diferentes. 30


O entendimento das características estáticas e dinâmicas que definem as capacidades e limitações de qualquer dispositivo lógico é vital para a obtenção de um projeto consistente e confiável. Por exemplo, como já visto nas aulas teóricas, as informações binárias são representadas por faixas de tensões e os valores típicos de tensões em um sistema digital é da forma mostrada na Figura 1.5. 5.0 V

Binário 1

2.0 V Tensões Inválidas

Não usado

0.8 V

Binário 0 0.0 V Figura 1.5: Valores típicos de tensão em um sistema digital. No entanto, na prática esses valores são ligeiramente diferentes dos mostrados, pois dependem de vários fatores como, por exemplo, a tecnologia de fabricação utilizada, conforme pode ser visto na Figura 1.6. Portanto, não subestime o valor do estudo detalhado dos manuais do fabricante. O bom entendimento dos parâmetros elétricos estáticos e dinâmicos das pastilhas comerciais é de importância fundamental para a realização de um bom projeto.

5V

2.4 V 2V 0.8 V 0.4 V 0V

VCC

5V

VCC

4.4 V

VOH

3.5 V

VIH

E NTRADA 0 - (5 V) tPHL

VOH VIH VIL VOL GND

TTL 5 V

1 - (0 V)

1.5 V

VIL

0.5 V 0V

VOL GND

tPLH

1 - (5 V)

S AÍDA 0 - (0 V)

CMOS 5 V

Figura 1.6: Alguns parâmetros de operação de CIs. 31

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

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

Tabela 1.5: Alguns parâmetros de operação de CIs. Símbolo

Parâmetro Mínimo

VCC

Tensão de alimentação do CI

4,75

VIH

Tensão mínima de entrada na porta interpretada como nível Alto (High)

2,0

VIL

Tensão máxima de entrada na porta interpretada como nível Baixo (Low)

VOH

Tensão mínima de saída na porta para nível Alto (High)

VOL

Tensão máxima de saída na porta para nível Baixo (Low)

IIH

Limites Típico Máximo 5,0

5,25

V V

0,8

2,7

Unid.

3,5

V 0,5

V

Corrente máxima absorvida pela entrada em nível Alto (High)

20,0

mA

IIL

Corrente máxima fornecida pela entrada em nível Baixo (Low)

0,1

mA

IOH

Corrente máxima fornecida pela porta em nível lógico Alto (High)

-0,4

mA

IOL

Corrente máxima absorvida pela saída em nível lógico Baixo (Low)

8,0

mA

tPLH

Atraso entrada-saída, de nível Baixo para Alto (Low para High)

8

15

ns

tPHL

Atraso entrada-saída, de nível Alto para Baixo (High para Low)

10

20

ns

32

0,35

V


1.2.5 Parâmetros Elétricos Estáticos da Familia TTL Os circuitos TTL da serie 74 foram projetados para operar com tensão de alimentação Vcc = 5, 00V ± 5%, numa faixa de temperatura de 0◦ C a 70◦ C. Para 5, 00V , a 25◦ C, cada porta TTL da serie 74 consome, em média, uma potência de 10 mW. Todos os parâmetros apresentados no datasheet são garantidos pelos fabricantes dos circuitos integrados da série 74, se as limitações mencionadas forem obedecidas. Conforme já mencionado, uma característica elétrica muito importante para caracterização do CI é sua curva de transferência de tensão. Esta é dada por um gráfico tensão da saída versus tensão de entrada. A Figura 1.7 apresenta um exemplo de uma curva de transferência de um inversor. Tensão de Saída (V) VCC 4

Nível 1

3 2

Vb

Vx

1

Nível 0

Va 0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Tensão de Entrada (V)

Figura 1.7: Característica de transferência típica de uma porta TTL inversora. Para tensões de entrada inferiores a Vb a saída apresenta uma tensão de saída constante igual a 4V (nível lógico UM). A partir de Vb , a saída começa a apresentar uma queda de tensão. Quando a tensão de entrada atinge Vx , a queda se torna mais acentuada, chegando a um nível mínimo em Va . A partir deste valor, a saída permanece constante (nível lógico ZERO). Os valores típicos destas tensões são: Vb = 0, 7V , Vx = 1, 0V , Va = 1, 3V , NÍVEL UM = 4, 0V e NÍVEL ZERO = 0, 3V . A Figura 1.6 mostra os níveis de tensão garantidos pelos fabricantes. Vale a pena observar que VOH deve ser maior do que VIH e que VOL deve ser menor do que VIL . A diferença entre estes valores fornecem as faixas de imunidade a ruído para os níveis lógicos. Notem que a imunidade a ruído da tecnologia CMOS é maior do que a TTL, além do fato de que, na família CMOS, os níveis de tensão mencionados serem simétricos com relação aos níveis GND e VCC . Analisando-se esses valores de tensão, pode-se concluir que os circuitos TTL admitem, no pior caso, uma margem de ruído CC de 0, 4V . Assim sendo, no pior caso, ao nível ZERO fornecido por uma saída TTL pode-se somar um ruído de amplitude +0, 4V , que o sinal resultante ainda é reconhecido corretamente por uma entrada TTL; no nível UM fornecido por uma saída TTL, 33

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

pode-se somar um ruído de amplitude −0, 4V , que o sinal resultante ainda se encontra dentro das especificações de entrada para nível UM. Para valores de tensão compreendidos entre 0, 8V e 2, 0V , nada se garante com relação aos níveis lógicos [SM11a]. Além da compatibilidade entre os níveis de tensão requeridos pelas entradas e fornecidos pelas saídas, também é necessário examinar os valores das correntes absorvidas e fornecidas pelas entradas e saídas dos circuitos integrados, tanto em nível UM como em nível ZERO. A Tabela 1.6 apresenta os valores típicos encontrados. Tabela 1.6: Níveis de corrente típicos para a série 74 da tecnologia TTL. Valores obtidos de [SM11a] PARÂMETRO

DESCRIÇÃO

VALOR

IIL

Corrente máxima fornecida por entrada em nível ZERO

-1,6 mA

I OL

Corrente máxima absorvida por saída em nível ZERO

+16 mA

II H

Corrente máxima absorvida por entrada em nível UM

+40 µA

I OH

Corrente máxima fornecida por saída em nível UM

-400 µA

Analisando-se a tabela acima, conclui-se que uma saída TTL pode excitar até 10 entradas da mesma família (fan-out). Outra especificação importante fornecida pelos fabricantes dos circuitos TTL diz respeito à máxima tensão que pode ser aplicada às entradas. Para a série 74, é recomendado não se colocar níveis de tensão superiores a 5, 5V , pois o circuito pode ser danificado se uma entrada receber uma tensão superior a este valor. Um outro ponto a se notar é que a I OL >> I OH . Desta forma, ao conectar um LED na saída de um CI TTL, é preferível fazer com que ele seja aceso quando a saída for para o nível lógico 0.

1.2.6 Parâmetros Elétricos Estáticos da Família CMOS Circuitos integrados CMOS (MOS Complementar) são componentes que apresentam as mesmas funções lógicas disponíveis em componentes da família TTL, mas são mais rápidos e consomem menos energia [TWM07]. Atualmente, representa a tecnologia dominante no mercado de semicondutores, sendo empregado em processadores, memórias e outros dispositivos. A curva de transferência de tensão de um inversor CMOS é apresentada a seguir, na Figura 1.8. 34

1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados Tensão de Saída VOH =VDD

Inclinação = -1

Inclinação = +1

Nível 0 0

Nível 1 Tensão de Entrada

0

VIL

VIH

VDD

VTH = VDD /2

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

1.2.7 Parâmetros de Tempo Existem determinadas condições indesejáveis de funcionamento de projetos de sistemas digitais. O equacionamento lógico obtido para a implementação de um projeto é uma ferramenta suficiente para a validação lógica do circuito, mas não leva em conta características físicas dos dispositivos, que podem alterar os resultados teóricos esperados [SM11a]. Uma destas condições diz respeito aos parâmetros de tempo em circuitos digitais, também chamados de parâmetros dinâmicos dos CIs . A Figura 1.5 apresenta a interpretação de dois parâmetros importantes tPLH e tPHL . Estes fornecem uma medida da frequência máxima de operação do circuito: quanto menores estes tempos, mais rápida é a transição entres os níveis lógicos, permitindo a utilização de sinais com frequência mais alta. O tempo de propagação de um CI é definido através da média aritmética dos tempos de propagação tPLH e tPHL . Além destes dois parâmetros existem mais alguns importantes [SM11a]: • Tempo de Subida (“Rise time” - tr ) - intervalo de tempo necessário para que um sinal vá de 10% do seu valor em tensão até 90% do seu valor em tensão (Figura 1.9). • Tempo de Descida (“Fall time” - tf ) - intervalo de tempo necessário para que um sinal vá de 90% de seu valor em tensão até 10% do seu valor em tensão (Figura 1.10). • Tempo de Atraso (“Delay time” - td ) - intervalo de tempo decorrido entre uma variação de sinal na entrada e a correspondente variação na saída; tomase como referência o ponto de 50% do valor de tensão, conforme mostrado na Figura 1.11. As características acima citadas, aliadas a fatores tais como, o não sincronismo de eventos, podem levar à geração de sinais indesejáveis em projetos aparente35

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

0,9 ∆V ∆V

0,1 ∆V tr Figura 1.9: Caracterização do tempo de subida.

0,9 ∆V ∆V

0,1 ∆V tf Figura 1.10: Caracterização do tempo de descida.

Entrada Saída 0,5 ∆VE td

∆VE

Saída

∆VS

0,5 ∆VS Entrada

Figura 1.11: Caracterização do tempo de atraso.

mente corretos. Para que se possa contornar essa situação deve-se conhecer profundamente todas as características dos componentes que serão utilizados. 36

1.3. Pré-Relatório

1.3

Pré-Relatório

1.3.1 Pesquisa bibliográfica Faca uma pesquisa bibliográfica sobre os componentes TTL e CMOS explicando as principais diferenças entre essas duas tecnologias. Além disso, utilizando os manuais dos componentes 74LS00 (TTL) e 74HC00 (CMOS) responda as questões abaixo. 1. Com relação aos parâmetros elétricos: • Quais os valores dos parâmetros elétricos estáticos (VIL , VOL , VIH e VOH )? Monte uma tabela mostrando a comparação. • Apresente a curva de transferência de tensão de um inversor CMOS e TTL. Faça uma breve discussão das diferenças observadas. 2. Com relação aos parâmetros dinâmicos: • Quais os valores para tPHL e tPLH ? • Determine os valores de tr e tf para um inversor.

1.3.2 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 1.3.2.1 Simulação 1 Simule o circuito mostrado na Figura 1.12 e apresente a tabela verdade correspondente. Qual uma possível aplicação deste circuito? 37

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

VCC

VCC A LUZ GND

VCC B

GND

Figura 1.12: Circuito a ser simulado. 1.3.2.2 Simulação 2 A Figura 1.13 mostra um circuito de alarme de automóvel usado para detectar uma determinada condição indesejada. As três chaves são usadas para indicar, respectivamente, o estado da porta do motorista, o estado da ignição e o estado dos faróis. O alarme deve ser ativado (na simulação o LED deve acender) sempre que os faróis estão acesos e a ignição está desligada ou a porta do veículo está aberta e a ignição está ligada. Simule este circuito no software de sua preferência e verifique se o circuito funciona adequadamente. Justifique a sua resposta. VCC P ORTA

Aberta Fechada GND

VCC Ligada

R

I GNIÇÃO

Desligada Alarme

GND

LED

VCC Acesos

F ARÓIS

Apagados GND

Figura 1.13: Circuito de alarme de um automóvel.

1.3.2.3 Projetos Projete e simule os circuitos dos itens a seguir. Em todos os casos, simule seu projeto no software de sua preferência e apresente a tabela-verdade correspondente. 38

1.4. Roteiro Experimental

Utilize LEDs como indicadores da saída da função booleana. 1. Utilizando apenas um CI da família 7400 (NAND), projete um circuito AND com três entradas. 2. Utilizando apenas um CI da família 7486 (XOR), projete um circuito NÃOXOR (XOR) com quatro entradas.

1.4 1.4.1

Roteiro Experimental PARTE 1 - Circuitos Elementares com Portas Lógicas

• Monte e teste os circuitos projetados na Seção 1.3.2.3. Com o multímetro, meça as tensões VLE D sobre o LED e VR sobre o resistor. Anote todas as medições. • Visualize a tensão VR no osciloscópio e reproduza a tela do osciloscópio nos gabaritos fornecidos ao final deste roteiro.

1.4.2

PARTE 2 - Caracterização de CIs

1. Selecione um CI NAND da família TTL (por exemplo, o 74LS00) e monte o circuito da Figura 1.14 (setup para curva). Observe que nesta montagem a porta NAND está configurada de forma a operar como uma porta inversora. Não se esqueça de conectar a alimentação do componente (pinos VCC e GND). Fonte fixa +5.0 V

VCC (pino 14) Fonte variável

Saída

(0 a +5.0 V)

GND (pino 7)

Figura 1.14: Montagem para determinação da curva de transferência de uma porta NAND 74LS00. Figura adaptada de [SM11a] 2. Com a tensão de alimentação em VCC fixa em 5 V, altere a tensão fornecida à entrada, em passos de 0.5 V. Meça a tensão de saída correspondente e construa o gráfico da curva característica de transferência de tensão deste inversor usando as Figuras 1.16 e 1.17. 39

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

Tabela 1.7: Levantamento de curvas características de CIs TTL e CMOS. ❳❳❳ ❳❳❳ VIN (V) ❳ FAMÍLIA ❳❳❳❳❳

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

TTL - VOUT (V) CMOS - VOUT (V) 3. Desconecte as entradas A e B, deixando-as sem nenhuma ligação. Com um multímetro digital realize a medida dos níveis de tensão nas entradas A e B e na saída Y do componente. Qual é o nível lógico das entradas A e B correspondente ao nível lógico da saída Y medida? Justifique no relatório os níveis obtidos. 4. Repita os procedimentos anteriores para um CI 7400 da família CMOS. 5. Pense em um procedimento para determinar os níveis de tensão correspondente ao nível lógico UM e ao nível lógico ZERO de uma porta OR TTL. Descreva detalhadamente o procedimento elaborado e monte o circuito necessário para determinação dos níveis de tensão. Compare os resultados obtidos com os resultados teóricos esperados. 6. Monte o circuito da Figura 1.15 (setup para tempos), implementando os inversores com portas NAND. Usando o osciloscópio, reproduza as formas de onda na entrada VIN (no canal 1) e VOUT (canal 2), quando a saída é tomada no primeiro estágio VOUT,1 e no segundo estágio VOUT,2 . Use a escala de tempo mais “aberta” possível. Use os gabaritos em anexo e anote os tempos tPLH e tPHL .

Gerador de pulsos

VIN

VOUT,1

CH1

CH2

VOUT,2 CH2

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

7. Calcule o tempo de propagação tP da porta lógica em estudo. 8. Baseado nos parâmetros de tempo obtidos, qual é o intervalo de valores de frequências que pode ser usado? Justifique sua resposta. 40


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

41

1. CARACTERIZAÇÃO

DE

P ORTAS L ÓGICAS

5

Tensão de saída (V)

4

3

2

1

0 0

1

2

3

4

5

Tensão de entrada (V)

Figura 1.16: Curva característica experimental de circuito TTL.

5

Tensão de saída (V)

4

3

2

1

0 0

1

2

3

4

5

Tensão de entrada (V)

Figura 1.17: Curva característica experimental de circuito CMOS.

42


timeDiv : 5ms/div

Channel A : 1 V/div

OffsetA 0 timeDiv : 5ms/div

Channel A : 1 V/div


Channel A : 1 V/div

OffsetA 0

Channel B : 1 V/div

OffsetB 0 Channel B : 1 V/div


OffsetB 0

XY

OFF

timeDiv : 5ms/div

OffsetC 0 XY

OFF


OffsetC 0 XY

OFF

OffsetC 0

Channel A : 1 V/div

Channel A : 1 V/div


Channel A : 1 V/div

OffsetA 0

Channel B : 1 V/div

OffsetB 0

OffsetC 0

Channel B : 1 V/div


OffsetB 0

XY

OFF

XY

OFF

OffsetC 0 XY

OFF

OffsetC 0

43

XPERIMENTO

E

2

C IRCUITOS L ÓGICOS C OMBINACIONAIS 2.1

Objetivos

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

2.2

Circuitos Lógicos Combinacionais

2.2.1 Introdução Os circuitos lógicos combinacionais são aqueles onde o nível lógico da(s) saída(s), em qualquer instante de tempo, depende única e exclusivamente, dos níveis lógicos presentes nas entradas. Em outras palavras, são circuitos que não possuem a característica de memória. Estes circuitos são projetados para executar uma operação de processamento que pode ser especificada por meio de um conjunto de equações booleanas, cuja as regras e propriedades são dadas pela Álgebra de Boole, conforme já estudado nas aulas teóricas. O estudo dos circuitos combinacionais é importante para compreender o funcionamento de circuitos muito utilizados na construção de computadores e em vários outros sistemas digitais, como por exemplo, os circuitos somadores, subtratores, codificadores, entre outros. De forma geral, os circuitos combinacionais podem ser usados para solucionar problemas em que se necessita de uma resposta, quando acontecerem determinadas situações, representadas pelas variáveis de entrada. Para se construir esses circuitos, necessita-se de suas expressões características 45

2. C IRCUITOS L ÓGICOS C OMBINACIONAIS

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

2.2.2 Projeto de Circuitos Combinacionais A Figura 2.1 ilustra a sequência do processo para o projeto de qualquer circuito digital combinacional.

Figura 2.1: Ilustração da metodologia a ser seguida para o projeto de circuitos combinacionais. O processo se inicia com uma análise detalhada e profunda do problema que deve ser resolvido. Esta análise deve permitir a descrição do problema na forma de uma tabela verdade. Esta é a etapa mais difícil e requer experiência do projetista, pois não é possível torná-la um processo algorítmico, passível de uma metodização absoluta devido, sobretudo, às nuances e características de cada problema. No entanto, em geral, a identificação correta das variáveis de entrada e saída é um passo que auxilia na construção da tabela verdade. Nesse processo, o projetista deve responder algumas perguntas, como por exemplo: • Quantas são as variáveis de entrada e saída? • Quais são? • O que representa os níveis lógicos ZERO e UM? 46

2.3. Displays

Após essas definições deve-se realizar as combinações das variáveis de entrada e montar a tabela verdade para cada saída. Após a obtenção da tabela verdade, o próximo passo é a expressão booleana de cada saída. Uma forma de realizar esse procedimento é escrever o termo AND (produto) para cada caso em que a saída esteja em nível lógico alto e depois escrever a expressão de soma de produtos para a saída. A obtenção da expressão lógica do problema já permite a implementação do circuito. No entanto, é altamente recomendável simplificar a expressão lógica obtida de forma a obter um circuito mais simples e, consequentemente, mais barato. O processo de simplificação pode ser realizado através da Álgebra de Boole ou através da utilização de Mapas de Karnaugh. Antes de implementar em protoboard o circuito lógico obtido da expressão final simplificada, recomenda-se simular o circuito em software de simulação apropriado, de forma a validar o projeto e assim evitar perda de tempo na montagem de circuitos errados.

2.3

Displays

2.3.1 Introdução O display é um elemento importante no projeto de sistemas eletrônicos, dada a sua função de apresentar informações inteligíveis a um ser humano. A gama de utilização dos displays é bastante diversa, indo desde aplicações no setor industrial até a incorporação em produtos eletrônicos de consumo de massa. Um exemplo recente são os displays sensíveis ao toque usados em produtos portáteis. Assim, encontra-se no mercado uma grande variedade de opções de formatos, especificações e complexidade de displays. Todos os displays pedem algum tipo de circuito para controlar seus elementos internos. Por exemplo, para um display SXGA (Super Extended Graphics Array) de 1280 x 1024 pixels usado em notebooks, torna-se necessária a presença de circuitos destinados a controlar cada um de seus pixels, de modo a poder mostrar dinamicamente as imagens que se deseja visualizar. Neste experimento, será utilizado um display LED de sete segmentos. Este tipo de display é usado para visualizar informações numéricas, podendo ser usado em relógios, instrumentos de medição, painéis de preço e calculadoras, dentre outras aplicações. Como os displays necessitam de controladores, também será utilizado um conversor de dígitos BCD para 7 segmentos, projetado especificamente para realizar 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 LEDs formando sete segmentos, referenciados pelas letras A até G. Além das letras, é comum existir um ponto (DP − decimal point), prevendo aplicações numéricas. No47


tem que 7 segmentos permitem representar números de 0 a 15 em hexadecimal (verifiquem). Visto que cada segmento é um LED, deve-se conectar o anodo e catodo de maneira correta, de forma a polarizá-lo corretamente e permitir a emissão de luz. Comercialmente, há duas opções de configuração: anodo comum ou catodo comum. Neste experimento, será utilizado um display de catodo comum, como mostrado na Figura 2.2.

A

F

A

K b

B

F

B

b

C

G

G

E

b

b

E

C

DP b

D

DP

K

D b

Figura 2.2: Display de 7 segmentos. Esquerda: disposição dos segmentos; direita: configuração catodo comum. Para limitar a corrente em cada LED, convém inserir um resistor entre o catodo e a linha de aterramento. Uma possibilidade é usar vários resistores, cada um para um diodo. Outra é a de usar um único resistor para todos os diodos, utilizando o catodo comum. A primeira solução é mais trabalhosa, porém evita uma falha no display todo caso o resistor único apresente defeito.

2.3.3 Conversor BCD para 7 segmentos O CI 4511 realiza uma codificação de uma entrada binária em codificação BCD (entradas DA , DB , DC , DD - sendo DD o bit mais significativo) para sete saídas (Oa até Og), de modo a permitir a interconexão ao display de sete segmentos. Além das entradas mencionadas, há mais três sinais de controle, todos ativos em nível baixo: • E L : latch enable input (habilita o latch): quando E L é BAIXO, o estado dos segmentos (Oa até Og ) é determinado pelas entradas (DA , DB , DC , DD ); caso contrário, a saída e determinada pelos últimos 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 segmentos do display; 49


• B I : ripple blanking input (desativa o display): nível BAIXO força todos os segmentos para nível BAIXO; Essas informações podem ser resumidas na tabela verdade do dispositivo, Figura 2.4, obtida no manual do fabricante. A Figura 2.5 ilustra a forma correta de realizar o acionamento de um display de 7 segmentos. Observe nesta figura que o LED utilizado é do tipo anodo comum, visto que os anodos de todos os segmentos estão conectados juntos em VCC

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

2.4

Pré-Relatório

2.4.1 Pesquisa bibliográfica Conforme mencionado, o processo de simplificação de expressões lógicas pode ser feito através da Algebra de Boole ou através da utilização do Mapa de Karnaugh. Essas duas abordagens, embora eficientes, são restritas à problemas com baixo número de variáveis. Desta forma, procure na literatura como é realizado o processo de simplificação em problemas que possuem número elevado de variáveis. Descreva o procedimento de forma sucinta (não é necessário detalhar o processo). Não se esqueça de mencionar a sua fonte bibliográfica.

2.4.2 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por 50


exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 2.4.2.1

Projeto e Simulação 1

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

A Gerador de Palavras Digitais

B C

Circuito Digital Desconhecido “Black Box”

F

Figura 2.6: Montagem experimental para determinação do circuito digital. Observe na Figura 2.6 que é utilizado um dispositivo chamado de analisador lógico. Um analisador lógico é um instrumento eletrônico usado para visualizar no tempo os estados lógicos de vários pontos de um circuito eletrônico digital. Basicamente vários canais de monitoramento são conectados a um circuito real e o resultado é apresentado em uma tela de vídeo ou graficamente em papel através de uma impressora. Dessa forma pode-se analisar o comportamento e a temporização de portas lógicas, contadores, registradores, processadores e demais componentes digitais de um circuito. Nesta montagem o gerador de palavras digitais gera uma palavra de três bits (bits A, B e C) a cada 50 ns e o diagrama de temporização obtido através do analisador lógico e apresentado na Figura 2.7. Considerando as informações expostas: Projete e simule o circuito combinacional simplificado que satisfaz este diagrama. Não se esqueça de apresentar a 51


Figura 2.7: Formas de ondas observadas na tela do analisador lógico. expressão lógica e o diagrama esquemático do circuito. Além disso, justifique o aparecimento de um deslocamento ∆t no diagrama temporal da saída F. 2.4.2.2 Projeto e Simulação 2 Projetar e simular um circuito digital para informar os cinco últimos números do seu registro acadêmico (RA ou matrícula). O dígito que deverá ser apresentado no display será selecionado através de três chaves. No projeto, as seguintes considerações devem ser respeitadas: • Desprezar o traço (ou barra) presente no seu RA. Exemplo, 09/0037111 ⇒ 090037111. • Desprezar os últimos quatro dígitos à esquerda, de forma a deixar seu RA com apenas 5 dígitos: Exemplo, 090037111 ⇒ 37111. • Para as entradas não previstas no projeto deve-se utilizar a condição que proporcione maior economia de portas lógicas, ou seja, o menor circuito possível. Exemplo de Projeto: Considere um aluno cujo registro acadêmico (RA) é o número 09/0037451. Levando-se em consideração os itens descritos anteriormente, para efeito de projeto tal RA passa a ser considerado como 37451. O objetivo geral do projeto é obter um circuito digital que, de acordo com as entradas presentes nas chaves seletoras (isto é: 000, 001, 010, 011, 100), exiba no display de 7 segmentos o dígito de posição equivalente ao selecionado nas chaves seletoras. Por exemplo, se as chaves seletoras estiverem na condição 000 deve-se se exibir o dígito mais a direita do seu RA, ou seja, o dígito 1. Se a condição de entrada for 001, deve-se exibir o dígito imediatamente a esquerda, ou seja o 5. Se a condição de entrada for 010, deve-se exibir o dígito 4, se for 011, deve-se exibir o dígito 7 e, por fim, se a condição de entrada for 100, deve-se exibir o dígito 3. Observação: Cada aluno deve fazer um circuito para o seu RA específico (portanto, em cada dupla, deve existir dois projetos diferentes), de forma que, não deverá existir dois circuitos idênticos sob pena do aluno receber nota zero no prérelatório e ficar impedido de realizar o experimento. 52


2.4.2.3


Projete um sistema que multiplique um número binário de 3 bits por 2 ou por 3, dependendo do valor de um sinal M. O resultado obtido deve ser mostrado no display de 7 segmentos. Para os casos que não for possível exibir o resultado no display, o aluno tem liberdade para decidir o que deve ser exibido. No entanto, deve estar bem claro, antes do projeto, o que irá acontecer nesses casos. Considere: M=0 ⇒ multiplicação por 2 e M=1 ⇒ multiplicação por 3.

2.5

Roteiro Experimental

Monte os circuitos projetados nas Seções 2.4.2.2 e 2.4.2.3. Com relação ao circuito da seção 2.4.2.2 os alunos devem escolher um dos projetos da dupla para realizar a montagem. Nas duas montagens deve-se realizar a seguinte sequência: 1. Monte o circuito projetado na protoboard; 2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as combinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas do display; 3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, execute a metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não se esqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração; 4. Responda as seguintes perguntas: • Qual a maior dificuldade encontrada no projeto? Após ter adquirido a experiência em projetar este circuito, o que você faria diferente para tornar o processo mais simples? • Se for preciso alterar o tipo do display utilizado de cátodo comum para ânodo comum, de forma rápida, quais alterações você sugeriria no circuito? • Foi preciso utilizar o documento “metodologia de depuração”? Se sim, quais ítens foram equivocados e não ajudaram no processo de encontrar o erro de montagem? Quais mudanças vocês propõem nesse documento para deixá-lo mais eficiente?

53

XPERIMENTO

E

3

C IRCUITOS S OMADORES E S UBTRATORES 3.1

Objetivos

Familiarização com a aritmética binária e com a implementação de circuitos somadores binários.

3.2

Circuitos Aritméticos

3.2.1 Introdução Uma função essencial da maioria dos computadores e calculadoras é a realização de operações aritméticas. Essas operações são realizadas em uma parte específica do hardware conhecida como Unidade Lógica e Aritmética (ULA). Esta unidade é formada por portas lógicas e flip-flops que combinados permitem a realização de somas, subtrações, multiplicações e divisões de números binários. Esses circuitos realizam essas operações em uma velocidade considerada humanamente impossível. Normalmente, uma operação de adição demora menos que 100 ns [TWM07]. A estrutura básica de uma ULA está mostrada na Figura 3.1. O objetivo básico de uma ULA é receber dados binários armazenados na memória e executar operações aritméticas e lógicas sobre esses dados, de acordo com instruções provenientes da unidade de controle. Assim, uma sequência de operações típica de uma ULA pode ocorrer conforme se segue: 1. A unidade de controle recebe uma instrução determinando que um determinado valor na memória deve ser somado ao valor do acumulador; 2. O valor é transferido da memória para o registrado B; 55

3. C IRCUITOS S OMADORES

E

S UBTRATORES

3. Os valores do acumulador e do registrador B são apresentados à lógica de adição que executa a soma e armazena o resultado no acumulador; 4. O resultado pode ser mantido no acumulador para operações subsequentes ou ser transferido para a memória.

Unidade lógica / aritmética

Unidade Central de Processamento

dados, informação

Entrada

Controle

Saída sinais de controle dados ou informação

dados, informação

Memória

Figura 3.1: Blocos funcionais de uma ULA. Figura extraída de [TWM07]. A complexidade dos blocos funcionais da ULA mostrados na Figura 3.1 é proporcional à complexidade do sistema em que será utilizada; assim, sistemas simples permitem o uso de ULAs simples e sistemas sofisticados exigem ULAs sofisticadas. Uma vez estabelecido o porte do sistema, existe também o compromisso entre velocidade e preço. Por exemplo, as calculadoras eletrônicas exigem ULAs que permitem operações complexas, porém com velocidade de operação baixa, reduzindo-se o custo; já os computadores de grande porte exigem velocidade de operação elevada, aumentando o custo da ULA. Neste momento do curso, no entanto, não estamos interessados no estudo detalhado de todos os blocos funcionais que formam uma ULA. Nosso foco, então, será apenas nos circuitos lógicos que realizam as operações aritméticas de soma e subtração.

3.2.2 Números com sinais e o Sistema de Complemento de 2 Como a maioria dos computadores e das calculadoras digitais realiza operações tanto com números positivos e negativos, é necessário representar, de alguma forma, o sinal do número (+ ou −). Existem várias formas de obter essa representação. Uma das maneiras é a representação denominada de sistema sinal-magnitude. Nesta forma de representação simplesmente adiciona-se ao número um outro bit denominado de bit de sinal. Em geral, a convenção comum é utilizar o bit 0 para número positivos e o bit 1 para números negativos. Embora o sistema sinal-magnitude seja uma representação direta, os computadores e calculadores normalmente não o utilizam, porque esse sistema requer a implementação de circuitos mais complexos. A maioria dos sistemas modernos 56

3.2. Circuitos Aritméticos

usa o sistema de complemento de 2 para representar números negativos. O complemento de 2 de um número é obtido tomando o complemento de 1 do número (substituição de todos os 0s por 1s e 1s por 0s) e somando 1 na posição do bit menos significativo. O sistema de complemento de 2 para representação de números com sinal funciona da seguinte forma: • Se o número for positivo, a magnitude é representada por na sua forma direta, e um bit de sinal 0 é colocado em frente ao bit mais significativo. • Se o número for negativo, a magnitude é representada na sua forma de complemento de 2, e um bit de sinal 1 é colocado em frente ao bit mais significativo. Esse sistema é o mais utilizado para representar números com sinal porque permite realizar a operação de subtração efetuando, na verdade, uma operação de adição. Desta forma, o sistema digital pode usar o mesmo circuito tanto na adição quando na subtração, desse modo poupando hardware. Para visualizar como esse procedimento funciona, basta lembrar que realizar a subtração de (5 − 4) é equivalente a realizar a seguinte operação de adição (5 + (−4)). Portanto, para realizar a operação de soma ou subtração que envolva números negativos, basta determinar o complemento de 2 dos números negativos envolvidos e realizar a operação de adição. O procedimento descrito abaixo ajuda na tarefa de realizar operações no sistema de complemento de 2. 1. Represente os números envolvidos em binário puro; 2. Verifique a quantidade de bits da representação, se necessário complete a seqüencia de bits com zeros à esquerda; 3. Identifique os números negativos e determine o seu complemento de 2; 4. Realize a soma binária; 5. Verifique o bit de sinal do resultado, se for 0, o resultado é positivo, se for 1 o resultado é negativo; 6. Em caso de resultado negativo, se quiser visualizar o resultado, recomendase representar o número na forma de sinal-magnitude, assim determine o complemento de 2 do resultado para determinar a magnitude do número negativo obtido (lembrando ao final deste processo que trata-se de um número negativo);

3.2.3 Circuitos Somadores Existem diversos circuitos diferentes para implementar a operação aritmética de soma, como por exemplo, o circuito meio somador, circuito somador completo, circuito somador completo paralelo, entre outros. Na seção 3.3.1 deste roteiro será solicitado ao aluno realizar uma pesquisa bibliográfica para apresentar as características de cada circuito somador existente. 57


E

S UBTRATORES

3.2.4 Overflow Aritmético Ocorre sempre que uma operação aritmética produz um número que necessita ser expresso em mais bits de magnitude do que está disponível. Por exemplo, considere um sistema digital que trabalha com números de 4 bits de magnitude e um bit de sinal. Considere que seja necessário realizar a adição de +9 (01001) com +8 (01000). Neste caso, tem-se como resultado o número (10001)B , que representaria o decimal −1, enquanto que a resposta deveria ser +17, indicando obviamente um erro no cálculo. Isso ocorre porque para representar a magnitude 17 é necessário mais do que os quatro bits disponíveis, portanto ocorre o transbordamento do “vai-um” ou overflow. A condição de overflow pode ocorrer apenas quando dois números positivos ou dois números negativos são somados, e isso sempre produz um resultado errado. Desta forma, o overflow pode ser detectado verificando se o bit de sinal do resultado tem o mesmo valor dos bits de sinal dos números que estão sendo somados.

3.3

Pré-Relatório

3.3.1 Pesquisa bibliográfica Realize uma pesquisa bibliográfica sobre as diferentes configurações de circuitos somadores existentes. Faça uma breve explicação sobre a teoria envolvida em cada um deles, além de uma comparação entre essas diferentes configurações, destacando em cada caso as vantagens e desvantagens. DICA: Pesquisar sobre um circuito denominado “carry antecipado” (look-ahead carry).

3.3.2 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 58


3.3.2.1


Projetar e simular um circuito que permita realizar o complemento de 1 de um número de 3 bits (incluindo o bit de sinal). Esse circuito deve possuir ainda uma entrada seletora (SEL) que permita especificar quando deve-se realizar essa operação de complemento. Desta forma, quando a operação de complemento não for desejada, o circuito deve fornecer na saída exatamente o número de entrada (ver Figura 3.2). Assim, a função realizada por esse circuito depende do valor da entrada de seleção SEL: • se SEL = 0, a função selecionada é a IGUALDADE e Z = A; • se SEL = 1, a função selecionada é o COMPLEMENTO DE 1 e Z = complemento de 1 de A. A 3 I GUALDADE / C OMPLEMENTO

DE

1

SEL

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

3.3.2.2


Projetar e simular um circuito que seja capaz de detectar uma condição de overflow (Estouro de Capacidade) para ser usado com um circuito somador de números com sinal, de três bits, codificados na forma de complemento de 2. 3.3.2.3


Projetar e simular um circuito SOMADOR/SUBTRATOR de três bits (incluindo o bit de sinal) para números com sinal, codificados na forma de complemento de 2, dado pelo bloco funcional mostrado na Figura 3.3. O circuito deve ter ainda uma saída (E) que indica as situações em que ocorreu um estouro de capacidade (overflow). O resultado da operação deve ser exibido em um display de sete segmentos. Desta forma, a função realizada por este circuito, que depende do valor da entrada de seleção SEL, pode ser resumida da seguinte forma: • se SEL = 0, a função selecionada é a SOMA e S = A + B; 59


E

S UBTRATORES

• se SEL = 1, a função selecionada é a SUBTRAÇÃO e S = A + Complemento de 2 de B. • A saída E indica a condição de Overflow. • A saída C4 é o carry da operação, que pode ser utilizado para expandir a capacidade da operação através da associação com outros blocos somadores. A

B 3

3

S OMADOR / S UBTRATOR

SEL

3 C4

E

S

Figura 3.3: Circuito Somador/Subtrator de três bits. DICAS: • O bloco lógico funcional desse circuito deve ser, primeiramente, detalhado na forma de um circuito lógico utilizando grandes blocos funcionais. Em seguida, esse circuito lógico deve ser detalhado usando os blocos funcionais disponíveis individualmente na forma de CIs (inversores, portas, etc). • Utilize os circuitos projetados nas Seções 3.3.2.1 e 3.3.2.2 como parte do seu projeto. • Cuidado na etapa de verificação do circuito. Prepare tabelas contendo os valores de entrada e saída e siga-as, verificando se o circuito fornece a saída correta em todos os casos. OPCIONAL: O circuito projetado irá fornecer na saída os valores negativos em sua forma de complemento de 2. Altere o seu projeto de forma que na saída os números negativos não estejam nesta forma. Para indicar o sinal negativo utilize o segmento de ponto do display de 7 segmentos.

3.4


Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 3.3.2.1, 3.3.2.2 e 3.3.2.3. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência: 1. Monte o circuito projetado na protoboard; 60


2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as combinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas do display ou LEDs; 3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, execute a metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não se esqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração; 4. Observe, também, a ocorrência de resultados inválidos. Caso existam, em que condições eles ocorrem? 5. Responda as seguintes perguntas: • Quais as diferença entre o circuito projetado na Seção 3.3.2.3 e uma ULA (Unidade Lógica Arimética) presente nos principais processadores? • Como o circuito projetado na Seção 3.3.2.3 poderia ser modificado para poder apresentar resultados com 3 bits de magnitude?

61

XPERIMENTO

E

4

C IRCUITOS C ODIFICADORES E D ECODIFICADORES 4.1

Objetivos

Compreender o funcionamento e se familiarizar com o projeto de circuitos codificadores e decodificadores.

4.2

Circuitos conversores de códigos

4.2.1 Introdução Atualmente, o termo “digital” tornou-se parte do nosso vocabulário diário devido ao modo intenso pelo qual os circuitos digitais e as técnicas digitais passaram a ser amplamente utilizadas em quase todas as áreas: computadores, automação, robôs, transporte, telecomunicações, entre outras. No entanto, a maioria dos sistemas digitais trabalham com as informações codificadas em bits. O homem, por outro lado, que interage com esses sistemas, não é capaz de interpretar com rapidez uma informação nessa codificação. Por exemplo, imagine você trabalhando em seu computador escrevendo um relatório de sistemas digitais e, ao invés de digitar as palavras em um teclado alfanumérico como está acostumado, tivesse que entrar direto com o código ASCII, código que o computador trabalha internamente, de cada letra. Com toda certeza levaria horas nessa tarefa! E ler seu relatório na tela com todo o texto apresentado em formato ASCII? Praticamente impossível!! Adicionalmente, a necessidade de interação homem - sistema digital não é única, existe também a necessidade de interação entre os diferentes tipos de sistemas digitais. Devido a diversidade das informações existentes e a diversidade dos sistemas digitais, a necessidade de troca de informação entre esses diferentes sistemas é 63

4. C IRCUITOS C ODIFICADORES

E

D ECODIFICADORES

muito grande. No entanto, um sistema pode não entender a informação ou o código utilizado pelo outro sistema. Desta forma, é fundamental a existência de circuitos que convertam a informação de um código para outro. Os circuitos que realizam essa função são conhecidos como circuitos codificadores e decodificadores. Estes são circuitos combinacionais dedicados: circuitos comuns em projetos de sistemas digitais devido às funções lógicas que executam, podendo ser encontrados prontos em circuitos integrados comerciais. De forma geral, pode-se definir o codificador como um circuito lógico que, como o próprio nome o diz, codifica uma informação que se encontra em um formato trivial, para um outro formato, nem tanto trivial, mas especializado, usando um padrão de conversão de tipo de código. O decodificador, por sua vez, traz a informação de um formato de código especializado para um formato de código mais trivial. Para a parte teórica e assuntos referente ao projeto dos circuitos codificadores decodificadores o aluno deverá se referir às notas de aula da parte teórica e/ou às referências bibliográficas apresentadas no final deste roteiro.

4.2.2 Códigos São vários os códigos dentro do campo Eletrônica Digital, existindo situações em que a utilização de um é vantajosa em relação a outro. A Tabela 4.1 apresenta alguns exemplos de representação de números decimais em códigos binários bastante usados na prática. Os códigos das duas primeiras colunas da tabela são chamados códigos ponderados, uma vez que a cada bit é atribuído um peso. O código da primeira coluna é o mais comum e chamado código 8421 ou BCD (Binary-Coded-Decimal). Tabela 4.1: Exemplos de códigos mais frequentes. D ECIMAL

8421 (BCD)

2421

E XCESSO DE 3

0

0000

0000

0011

00011

0100001

1

0001

0001

0100

00101

0100010

2

0010

0010

0101

00110

0100100

3

0011

0011

0110

01001

0101000

4

0100

0100

0111

01010

0110000

5

0111

1011

1000

01100

1000001

6

0110

1100

1001

10001

1000010

7

0101

1101

1010

10010

1000100

8

1010

1110

1011

10100

1001000

9

1011

1111

1100

11000

1010000

64

2

EM

5

B IQUINÁRIO


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

4.3

Pré-Relatório

4.3.1 Pesquisa bibliográfica Pesquise as principais aplicações que empregam os códigos apresentados na Seção 4.2.2. Se possível, em cada caso, procure destacar a vantagem da utilização de um código em relação aos outros.

4.3.2 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 4.3.2.1 Projeto e Simulação 1 Projete e simule um sistema de conversão de códigos, onde os códigos de entrada e saída são indicados na Tabela 4.2. As saídas do circuito devem ser visualizadas em LEDs. O aluno deve obter as expressões lógicas de todas as variáveis de saída, além de minimizar as funções obtidas utilizando o Mapa de Karnaugh. Para esta etapa de minimização, considere que as combinações de entrada não utilizadas são condições de irrelevância (don’t care). 4.3.2.2 Projeto e Simulação 2 Um codificador de prioridades é um circuito combinacional onde, se um ou mais bits de entrada forem iguais a 1, a saída indicará o bit de maior prioridade. Considerando que a ordem de prioridade é definida do MSB para o LSB, a Figura 4.3 mostra a tabela verdade para um codificador de prioridade de 4 entradas. O “X” 65

4. C IRCUITOS C ODIFICADORES

C ÓDIGO

DE

E

D ECODIFICADORES

E NTRADA

C ÓDIGO

DE

S AÍDA

A

B

C

D

x

y

z

w

v

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

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

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

S AÍDAS

D3

D2

D1

D0

A1

A0

V

0

0

0

0

x

x

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

x

0

1

1

0

1

x

x

1

0

1

1

x

x

x

1

1

1

Tabela 4.3: Tabela verdade do circuito codificador de prioridades.

4.4


Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 4.3.2.1 e 4.3.2.2. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência: 1. Monte o circuito projetado na protoboard; 66


2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as combinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradas nos LEDs; 3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, execute a metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não se esqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração; 4. Responda a seguinte questão: quais as diferenças entre um circuito codificador e um circuito decodificador?

67

XPERIMENTO

E

5

C IRCUITOS M ULTIPLEXADORES E D EMULTIPLEXADORES 5.1

Objetivos

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

5.2

Circuitos Multiplexadores

5.2.1 Introdução Multiplexar significa selecionar dados dentre diversas fontes. A Figura 5.1 mostra o esquema funcional generalizado de um multiplexador lógico. Nesse dispositivo, os terminais de seleção determinam o terminal de entrada de dados que terá seu conteúdo transferido para a saída. A operação inversa é denominada demultiplexação. A Figura 5.2 mostra o esquema funcional de um demultiplexador. Como será mostrado adiante, o demultiplexador lógico é quase equivalente a um decodificador. As operações de multiplexação e demultiplexação são realizadas quando diversas fontes de dados compartilham de uma mesma unidade de processamento ou canal de transmissão. É importante ter em mente que, os circuitos multiplexadores e demultiplexadores são simplesmente circuitos combinacionais com diversos terminais de entrada e apenas um terminal de saída, ou vice-versa. O conceito de seleção de dados é mais uma questão de aplicação e ponto de vista do que de funcionamento. Para fundamentos teóricos mais detalhados e assuntos referentes a projeto desses circuitos o aluno deverá consultar o material teórico das aulas teóricas. 69

5. C IRCUITOS M ULTIPLEXADORES

E

D EMULTIPLEXADORES

E0 E1 E2 N Entradas de D ADOS

E3

MUX

E4

Saída

E5 E6 E7 log2 N Entradas de S ELEÇÃO

S0 S1 S2

Figura 5.1: Representação de um multiplexador 8/1. E0 E1 E2 Entrada

DEMUX

E3 E4

N Saídas de D ADOS

E5 E6 E7 log2 N Entradas de S ELEÇÃO

S0 S1 S2

Figura 5.2: Representação de um demultiplexador 1/8.

5.2.2 Uso de multiplexadores para implementar funções lógicas A implementação de funções lógicas de maior complexidade não é normalmente uma tarefa fácil, podendo exigir o uso de muitas portas lógicas. Para simplificar os projetos, podem-se utilizar componentes com um maior grau de integração (MSI Medium Scale Integration e LSI - Large Scale Integration), que proporcionam uma 70

5.2. Circuitos Multiplexadores

significativa redução do número de componentes necessários à implementação de muitas funções. No entanto, o custo de tais componentes, muitas vezes, é superior ao das portas lógicas. Assim, para efeito de escolha, o custo global do projeto também deve ser considerado [SM06a]. O uso de multiplexadores e decodificadores é uma opção vantajosa em relação às portas lógicas [SM06a]. Eles podem ser utilizados para se implementar uma função booleana genérica e são particularmente convenientes para tal fim quando a função a ser implementada é de natureza irregular, e não permite muita simplificação. Em muitos casos, o uso de multiplexadores resulta em um projeto mais fácil, mais compacto e mais flexível. Para entender como funciona o processo de utilização dos multiplexadores para implementar uma função lógica vamos analisar o seguinte exemplo: Exemplo 1: Considere que estamos interessados em projetar o circuito representado pela tabela verdade mostrada na Figura 5.3. Neste caso, o multiplexador pode ser usado para gerar a função lógica diretamente da tabela verdade sem simplificação. Para isso, as entradas de seleção são usadas para as variáveis lógicas e cada entrada de dados é conectada permanentemente aos níveis ALTO ou BAIXO de acordo com a tabela verdade.

Figura 5.3: Tabela verdade do exemplo1. Exemplo 2: No exemplo 1, o problema analisado consistia de 3 variáveis de entrada e foi utilizado um Mux 8x1. No entanto, o processo pode ficar um pouco mais complexo quando o problema possui um número de variáveis de entrada maior do que a capacidade do multiplexador disponível. Por exemplo, considere a tabela verdade mostrada na Figura 5.4. Para implementar a função lógica desta tabela verdade precisaríamos de um multiplexador de 16 canais, visto que, temos 4 variáveis de entrada. No entanto, considere que está disponível apenas MUX 8 canais. Neste caso, três das quatro variáveis independentes são escolhidas para acionar os terminais de seleção (no presente caso escolheu-se as variáveis A, B e C). Observe na Figura 5.4 que, esta escolha permite reduzir a tabela verdade que tinha 16 canais para 8 canais, visto que, uma determinada combinação nas entradas A, B 71


E

D EMULTIPLEXADORES

e C estará endereçando duas linhas da tabela verdade. Assim, estamos agrupando a tabela a cada duas linhas, formando uma tabela final com 8 canais. Cada terminal de dados do multiplexador deverá ser acionado pela variável independente que restou (no presente caso a variável D). O terminal de saída pode, então, assumir 4 possibilidades: f = D , f = D , f = 1 ou f = 0. A Figura 5.5 ilustra o esquema de ligação das entradas no multiplexador para implementar essa função.

Figura 5.4: Tabela verdade do exemplo2.

5.2.2.1 Técnica geral A técnica de implementação introduzida acima pode ser generalizada para uma função de n variáveis. Considere por exemplo um multiplexador de 8 terminais de dados. A expressão booleana da saída S é: S = E 1 E 2 E 3 D 0 + E 1 E 2 E 3 D 1 + . . . + E 1 E 2 E 3D 7

(5.1)

Qualquer função de n > 3 variáveis pode ser colocada na forma: f (A, B,C , D, E , . . .) = ABC F0 (D, E , . . .) + ABC F1 (D, E , . . .) + . . . + ABC F7 (D, E , . . .)

(5.2)

em que A, B e C são variáveis selecionadas arbitrariamente dentre as n e F0 , F1 , . . ., F7 são funções das (n − 3) variáveis restantes, portanto mais simples que a função original f. No caso particular em que n = 4, as funções F0 , F1 , . . ., F7 são funções da única variável restante e existem apenas 4 possibilidades (1, 0, D, D ) como 72


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

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

5.3

Pré-Relatório

5.3.1 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 73


E

D EMULTIPLEXADORES

5.3.1.1 Projeto e Simulação 1 Projete e simule um circuito que implemente a função dada abaixo usando um multiplexador de 4 entradas de dados e um decodificador de 4 entradas. f (A, B,C , D) = ABC D + ABC D + ABC D + ABC D

(5.3)

Orientação: O decodificador também é um circuito útil na implementação de funções complicadas, pois cada uma de suas saídas constitui um dos mintermos das variáveis de entrada. Observe, por exemplo, que qualquer função de 4 variáveis pode ser implementada com um DECOD-4 e mais algumas portas OU. Portanto, use o decodificador como um gerador de mintermos para o multiplexador. 5.3.1.2 Projeto e Simulação 2 A economia de consumo de energia e de componentes são sempre fatores importantes a serem considerados em projetos de sistemas digitais, devido, principalmente, a fatores como eficiência e custo. Neste sentido, em projetos que necessitam de acionamento de vários displays, é comum a utilização de uma técnica conhecida como multiplexação de displays [SM06a]. Esta técnica permite que apenas um decodificador de displays possa controlar uma série de displays. Para isso, é explorado o fato que os displays LED são capazes de operar em tempos da ordem de nanosegundos. Isto significa que eles podem operar num baixo duty cycle (ou fator de forma) com uma alta taxa de amostragem, isto é, o sistema pode ativar os displays ciclicamente (acendendo e apagando), aproveitando a característica do olho humano de detectar apenas os “picos” de brilho [Hig]. Desta forma, no projeto do circuito, os displays são ciclicamente acesos e apagados numa frequência conveniente de tal forma que, para o olho humano, todos os displays permanecem durante todo o tempo acesos. Existem diversas estratégias para realizar esta tarefa, a escolha da melhor depende de cada problema específico. Um exemplo de estratégia está apresentada na Figura 5.6. Neste projeto, deseja-se mostrar em dois displays de sete segmentos os dígitos de unidade e de dezena de uma grandeza qualquer, por exemplo a temperatura numa sala. Deve-se utilizar no projeto um multiplexador para acionar dois displays de sete segmentos alternadamente, utilizando apenas um conversor BCD-7 segmentos. Tenha em mente, conforme exposto acima, que os displays não necessariamente precisam estar ativos todo o tempo, podendo ser ligados e desligados com uma certa frequência (acima de 100 Hz), de modo que o olho humano não consiga notar esse chaveamento [Hig]. O funcionamento do circuito deve ser o seguinte: têm-se como entradas dois dígitos BCD (A e B), que devem ser mostrados em dois displays de 7 segmentos. Considere o dígito A como sendo o mais significativo. Um sinal de onda quadrada seleciona quando cada dígito é mostrado em seu respectivo display: quando a onda quadrada está em nível lógico 1, é mostrado o dígito A (e o display B é desligado); quando a onda quadrada está em nível lógico 0, é mostrado o dígito B (e o display 74


Figura 5.6: Diagrama de blocos do projeto. Figura extraída de [Hig]. A é desligado). Note que a onda quadrada deve agir sobre o multiplexador e sobre os displays de maneira simultânea e sincronizada [Hig]. Projete e simule o circuito que implemente essa função a partir do diagrama de blocos da Figura 5.6. Considere que a onda quadrada será proveniente do gerador de funções. Descreva resumidamente o funcionamento do seu circuito.

5.4


Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 5.3.1.1 e 5.3.1.2. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência: 1. Monte o circuito projetado na protoboard; 2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as combinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradas nos displays; 3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, execute a metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não se esqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração; 4. Para o projeto da seção 5.3.1.2, varie a frequência da onda quadrada e verifique o comportamento do circuito. Qual a mínima frequência para que os dígitos “pareçam” sempre acesos? 5. Comente esta afirmativa:“o uso da multiplexação afeta no consumo de energia e na luminosidade dos displays”.

75

XPERIMENTO

E

6

F LIP -F LOPS 6.1

Objetivos

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

6.2

Circuitos Lógicos Seqüenciais

6.2.1 Introdução Os circuitos lógicos implementados até este momento do curso são considerados circuitos lógicos combinacionais, porque os níveis lógicos da saída, em qualquer instante de tempo, dependem apenas dos níveis lógicos presentes nas entradas nos mesmos instantes de tempo. Quaisquer condições de entrada anteriores não têm efeito sobre as saídas atuais, porque o circuito lógico combinacional não possui memória. No entanto, a maioria dos sistemas digitais é constituída de circuitos combinacionais e de elementos de memória. Os circuitos com memória são conhecidos como circuitos sequenciais e apresentam as saídas dependentes das variáveis de entrada e/ou de seus estados anteriores que permanecem armazenados. A Figura 6.1 mostra um diagrama em blocos de um sistema digital geral que reúne portas lógicas combinacionais com dispositivos de memória. O elemento de memória mais importante é o flip-flop (FF), que é implementado a partir de portas lógicas. Embora uma porta lógica, por si só, não tenha capacidade de armazenamento, algumas delas podem ser conectadas de tal forma que permita o armazenamento de informação. 77

6. F LIP -F LOPS

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

6.2.2 O Latch O circuito mais simples de um FF pode ser construído a partir de duas portas NAND ou duas portas NOR, conforme mostrado na Figura 6.2. O latch, assim como o FF, é um dispositivo de armazenamento temporário que tem dois estados estáveis (biestável). A principal diferença entre o latch e o FF é o método utilizado para a mudança de estado. O funcionamento básico de um latch NAND pode ser descrito como segue: • SET = RESET = 1. Condição de repouso e não tem efeito sobre o estado da saída, ou seja, a saída é mantida no estado anterior. • SET = 0 e RESET = 1. Essa condição faz a saída ir para o estado em que Q = 1, em que permanecerá mesmo que a entrada SET retorne para o nível ALTO. Essa é a operação de setar o latch. • SET = 1 e RESET = 0. Essa condição sempre gera um estado de saída em que Q = 0, no qual permanece mesmo após a entrada RESET retornar para nível ALTO. Essa operação é de limpar ou “resetar” o latch. A análise do funcionamento do latch NOR pode ser feita de forma análoga ao latch NAND. A principal diferença entre essas duas configurações é que no latch NOR as entradas de SET e RESET são ativas em nível lógico ALTO, em vez de ativas em nível BAIXO. Desta forma, o estado de repouso é SET = RESET = 0.

6.2.3 O Flip-Flop com clock Os sistemas digitais podem operar tanto no modo assíncrono quanto no síncrono. Nos sistemas assíncronos, as saídas de circuitos lógicos podem mudar de estado a 78

6.2. Circuitos Lógicos Seqüenciais

Figura 6.2: Latch com portas NAND e com portas NOR. qualquer momento em uma ou mais entradas mudarem de estado. Tanto o projeto quanto a análise de defeitos nesses sistemas são mais difíceis. Em sistemas síncronos, os momentos exatos em que uma saída qualquer pode mudar de estado, são determinados por um sinal normalmente denominado clock ou relógio. Este sinal de clock é geralmente um trem de pulsos retangulares ou uma onda quadrada. Vários tipos de FFs com clock são usados em um grande número de aplicações. As principais características comuns a esses FFs são: 1. FFs com clock têm uma entrada de clock denominada CLK, CK ou CP, conforme mostrado na Figura 6.3 . Na maioria dos FFs com clock a entrada CLK é disparada por borda, o que significa que essa entrada é ativada pela transição do sinal de clock. 2. FFs com clock também tem uma ou mais entradas de controle que podem ter vários nomes, dependendo do seu funcionamento. As entradas de controle não terão efeitos sobre a saída até que uma transição ativa do clock ocorra. 3. Resumindo, pode-se dizer que as entradas de controle deixam as saídas do FF prontas para mudar de estado, enquanto a transição ativa do clock é que de fato dispara essa mudança. São vários os tipos de FFs existentes. Na próxima seção (seção 6.3.1) deste relatório será solicitado ao aluno para fazer um breve pesquisa bibliográfica para descrever cada uma dessas configurações. 79

6. F LIP -F LOPS

Figura 6.3: Diagrama de blocos de um FF.

6.3

Pré-Relatório

6.3.1 Pesquisa Bibliográfica Procure na literatura as diferentes configurações existentes de FFs. Em cada caso procure descrever de forma sucinta suas características e problemas. Descreva também quais são as diferenças existentes em um FF e um latch.

6.3.2 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 6.3.2.1 Projeto e Simulação 1 Projete e simule um flip-flop JK disparado por borda de subida. Utilize apenas portas lógicas em seu projeto. Em seguida, altere seu projeto para que seu FF seja disparado por borda de descida. E se fosse desejado que o FF fosse disparado por borda de subida e descida de acordo com uma entrada de controle SEL? Como 80


ficaria o projeto?. Em todos os caso, utilize LEDs nas saídas para indicar o nível lógico. 6.3.2.2


Um registrador de deslocamento é um grupo de FFs organizados de modo que os números binários armazenados nos FFs sejam deslocados de um FF para o seguinte a cada pulso de clock. Esses registradores são muito comuns em calculadoras eletrônica, você já deve ter reparado que nesses dispositivos os dígitos mostrados nos displays são deslocados cada vez que você tecla um novo dígito. Assim, projete e simule um registrador de deslocamento de 4 bits. Utilize uma chave para gerar os pulsos de clock. Você tem liberdade para escolher o tipo de FF a ser utilizado. As saídas do registrador devem ser ligadas a um display de sete segmentos de forma a visualizar os dados. armazenados. 6.3.2.3


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

6.4


Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 6.3.2.1, 6.3.2.2 e 6.3.2.2. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência: 1. Monte o circuito projetado na protoboard; 2. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as combinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradas nos displays e/ou LEDs; 3. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, execute a metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não se esqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração; 4. Para a montagem do circuito da seção 6.3.2.3 utilize na entrada de clock um sinal de 1 kHz utilizando o gerador de funções. Com o auxílio do osciloscópio visualize as formas de onda de entrada e das saídas nos diferentes estágios da divisão. Anote as formas de onda observadas nos gabaritos existentes no final deste roteiro e obtenha, em cada caso, a frequência do sinal. 5. Responda as seguintes questões: • Liste os possíveis problemas existentes no circuito projetado na Seção 6.3.2.2. • Existe algum requisito dinâmico dos CIs que precisam ser considerados no projeto da seção 6.3.2.2? Quais? Explique. 81

6. F LIP -F LOPS

timeDiv : 5ms/div

Channel A : 1 V/div


Channel A : 1 V/div


Channel A : 1 V/div

OffsetA 0

82

Channel B : 1 V/div



OffsetB 0

XY

OFF

timeDiv : 5ms/div

OffsetC 0 XY

OFF


OffsetC 0 XY

OFF

OffsetC 0

Channel A : 1 V/div

Channel A : 1 V/div


Channel A : 1 V/div

OffsetA 0

Channel B : 1 V/div



OffsetB 0

XY

OFF

OffsetC 0 XY

OFF

OffsetC 0 XY

OFF

OffsetC 0

XPERIMENTO

E

7

C IRCUITOS C ONTADORES S ÍNCRONOS E A SSÍNCRONOS 7.1

Objetivos

Familiarização com projeto e montagem de circuitos contadores síncronos e assíncronos.

7.2

Circuitos Contadores

7.2.1 Introdução Um contador eletrônico é provavelmente um dos mais úteis e versáteis subsistemas num sistema digital. Graças às diversas versões disponíveis podem ser utilizados, por exemplo, para contagens diversas, divisão de frequência, medição de intervalo de tempo e frequência, geração de formas de onda, e, até mesmo, para converter informações analógicas em digitais. Um contador digital é um circuito sequencial, configurado de tal modo que para cada estado presente nas saídas dos flip-flops, existe um estado seguinte bem definido. Durante a operação de contagem, o contador desloca-se de um estado para o outro de acordo com uma sequência especificada. É possível identificar uma característica que classifica os contadores, de forma ampla, em duas categorias: síncronos e assíncronos. Há, entretanto, vários outros aspectos a serem considerados. Assim sendo, dentro de cada uma das duas categorias, é ainda possível classificar os contadores em função do número de estados (módulo), do número de saídas (bits), do tipo de sequência gerada (binária, decimal, código de Gray, etc) ou do tipo de operação: fixa ou selecionável. 83

7. C IRCUITOS C ONTADORES S ÍNCRONOS

E

A SSÍNCRONOS

7.2.2 Contador Assíncrono A Figura 7.1 mostra o circuito de um contador binário de quatro bits. A seguir é descrito, resumidamente, o funcionamento deste circuito [TWM07]: • Os pulsos de clock são aplicados apenas na entrada CLK do FF. Assim, o FF A comutará cada vez que ocorrer uma borda de descida no pulso de clock. Observe que J = K = 1 para todos os FFs. • A saída normal do FF A funciona como clock de entrada para o FF B, sendo que este FF comuta a cada vez que a saída A muda de 1 para 0. Da mesma forma, o FF C comuta quando B muda de 1 para 0, e o FF D muda de 1 para 0. • As saídas do FFs D, C, B e A representam um número binário de quatro bits, sendo D o MSB. Considerando que todos os FFs tenham sido “resetados” para o estado 0, as formas de onda mostradas na Figura ?? mostram que um contagem binária sequencial de 0000 a 1111 é seguida à medida que os pulsos de clock são aplicados continuamente. • Após a borda de descida do décimo quinto pulso de clock, os FFs do contador estão na condição 1111. Na décima sexta borda de descida do clock, o FF A muda de 1 para 0, fazendo o FF B mude de 1 para 0, e assim por diante até que o contador chegue ao estado 0000. Em outras palavras o contador realizou um ciclo completo de contagem (de 0000 a 1111) e retornou ao estado 0000, a partir de onde começará um novo ciclo de contagem à medida que os pulsos subsequentes de clock forem aplicados. Conforme descrito, neste contador, a saída de cada FF aciona a entrada de clock do FF seguinte. Esse tipo de contador é chamado de contador assíncrono porque os FFs não mudam de estado exatamente com o mesmo sincronismo com que os pulsos de clock são aplicados; apenas o FF A responde aos pulsos de clock. Este tipo de contador também é denominado de contador ondulante (ripple counter) devido à maneira de os FFs responderem um após o outro como um tipo de efeito de ondulação. Os contadores ondulantes são o tipo mais simples de contadores binários, visto que requerem poucos componentes para produzir a operação de contagem desejada. Entretanto, eles têm uma grande desvantagem, causada pelo seu princípio básico de operação. Na seção 7.3.1 será solicitado ao aluno para pesquisar e descrever sobre essa desvantagem.

7.2.3 Módulo Contador O valor do módulo contador indica o número de estados da sequência de contagem, isto é, o número de estados que o contador percorre em cada ciclo completo de contagem até retornar ao estado inicial. Por exemplo, no circuito contador mostrado na Figura 7.3 tem 16 estados distintos (de 0000 a 1111). Assim, ele é um contador ondulante de módulo 16. 84

7.2. Circuitos Contadores

Figura 7.1: Contador assíncrono de quatro bits.

7.2.4 Diagrama de transição de estados É uma forma de mostrar como os estados dos FFs mudam a cada pulso de clock aplicado. As setas que conectam um círculo ao outro mostram como ocorre a mudança

Figura 7.2: Diagrama de transição de estados. 85


E

A SSÍNCRONOS

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

7.2.5 Contador Síncrono Conforme mencionado, os contadores assíncronos apresentam alguns problemas decorrentes do seu princípio básico de funcionamento. As limitações observadas nesses circuitos podem ser superadas com o uso de contadores síncronos ou paralelos nos quais os FFs são disparados simultaneamente (em paralelo) pelos pulsos de clock de entrada. No entanto, visto que os pulsos de clock de entrada são aplicados em todos os FFs, algum recurso precisa ser utilizado para controlar o momento que um FF deve alterar estado lógico. Desta forma, em um contador síncrono existe uma parte combinacional nas entradas de cada FF para controlar os momentos de transição. A Figura 7.3 mostra um exemplo de contador síncrono. Se compararmos essa configuração com o seu correspondente assíncrono da Figura 7.1 temos as seguintes diferenças [TWM07]: • As entradas CLK de todos os FFs estão conectadas juntas, de modo que o sinal de clock é aplicado simultaneamente em cada FF. • Apenas o FF A tem suas entradas J e K ligadas de forma permanente em nível lógico alto. • O contador síncrono requer um circuito maior do que o contador assíncrono.

Figura 7.3: Contador síncrono de módulo 16. Uma análise detalhada do circuito da Figura 7.3 nos permite concluir que o princípio básico para a construção de um contador síncrono pode ser enunciado da seguinte forma: Cada FF deve ter suas entradas J e K conectadas de modo 86


que elas estejam no nível lógico ALTO apenas quando as saídas de todos os FFs de mais baixa ordem estiveram no estado ALTO. Em quase todas as aplicações de contadores, as variáveis de estado, ou simplesmente estados, são consideradas como saídas. As saídas do contador podem ser codificadas de várias formas: binária, BCD, Gray, etc. Esse código e o modulo do contador determinam como serão os blocos combinatórios do próximo estado e da saída, bem como o numero de flip-flops a ser utilizado.

7.2.6 Projeto de contadores Síncronos e Assíncronos Na seção 7.3.1 será solicitado ao aluno realizar um resumo do procedimento para elaboração de projetos de circuitos contadores síncronos e assíncronos.

7.3

Pré-Relatório

7.3.1 Pesquisa Bibliográfica Realize pesquisas bibliográficas e procure responder as questões abaixo: 1. Quais são os principais problemas existentes nos contadores assíncronos? Descreva cada um deles de forma resumida. 2. Cite as vantagens dos contadores síncronos em relação aos contadores assíncronos. 3. Realize um resumo do procedimento para a realização de projeto de circuitos contadores síncronos e assíncronos. Procure deixar bem claro as diferenças no procedimento nos dois tipos de circuitos. 4. Como os circuitos contadores se inserem nos processadores existentes, principalmente, nos computadores e calculadoras? 5. Descreva aplicações práticas que utilizam os circuitos contadores.

7.3.2 Projetos e Simulações Nesta seção são descritos os circuitos que devem ser projetados e/ou simulados. Na etapa de simulação o aluno pode utilizar o software de sua preferência, como por exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresentados: o nome do software utilizado, os diagramas de simulação desenvolvidos com todas as condições de simulação realizadas. Pede-se que o aluno entregue também o arquivo da simulação implementada (pode ser enviado para o e-mail do professor). Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento, incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas esquemáticos dos circuitos e todas as informações adicionais que julgar necessárias para perfeita compreensão do projeto realizado. 87


E

A SSÍNCRONOS

Além disso, em todos os projetos os alunos devem preparar o documento de “metodologia de depuração”, apresentando o esquema orientativo para o processo de depuração, adequado ao particular projeto (documento já debatido em aulas anteriores), para o caso de algum problema ocorrer no momento da implementação do circuito na protoboard. 7.3.2.1 Projeto e Simulação 1 Projete e simule um contador síncrono crescente/decrescente de módulo 10. Uma variável de entrada adicional UP/Down deve ser adicionada ao circuito para permitir selecionar o modo de contagem. Considere que se UP/Down = 1 o contador realiza a contagem crescente, e se UP/Down = 0 o contador realiza a contagem decrescente. As saídas do contador devem ser visualizadas em um display de 7 segmentos. Considere que o sinal de clock será obtido através do gerador de funções. Em seguida, altere seu projeto substituindo o contador síncrono por um contador assíncrono. Faça uma análise comparativa entre os dois projetos, destacando as vantagens e desvantagens de cada um. Com base no manual do fabricante dos CIs, qual a frequência máxima de operação dos contadores? (OBS - lembre que nos contadores assíncronos, a máxima frequência de operação depende não só dos parâmetros dos flipflops, mas também do número de bits). Qual deve ser o efeito esperado de se trabalhar em uma frequência acima da especificada? 7.3.2.2 Projeto e Simulação 2 Projete e simule um contador síncrono usando FFs J-K que tenha a seguinte sequência: 000, 010, 101, 110 e repete. Os estados indesejáveis (não usados) devem levar o contador sempre para o estado 000 no próximo pulso de clock. Além disso, seu circuito deve conter uma lógica que permite definir o estado inicial da contagem, ou seja, deve permitir selecionar um dos estados 000, 010, 101 ou 110 como estado inicial ao energizar o circuito. As saídas do contador devem ser visualizadas em um display de 7 segmentos e considere que o sinal de clock será obtido através do gerador de funções. 7.3.2.3 Projeto e Simulação 3 Altere o seu projeto anterior considerando que agora os estados indesejados devem levar o contador a executar sempre a seguinte sequência 001, 011, 100, 111, 000 antes de retornar para a contagem normal. Simule o seu projeto alterado.

7.4


Implemente em protoboard os circuitos projetados nas Seções 7.3.2.1, 7.3.2.2 e 7.3.2.3. Em todas as montagens deve-se realizar a seguinte sequência: 1. Monte o circuito projetado na protoboard; 88


2. Utilize o gerador de funções para gerar o sinal de clock. Selecione um valor de frequência adequado que seja possível visualizar a sequência de contagem no display de 7 segmentos. 3. Levante a tabela verdade para o circuito projetado, introduzindo todas as combinações possíveis de entradas para o circuito e anotando as saídas mostradas no display de 7 segmentos; 4. Para a montagem dos circuitos das seções 7.3.2.2 e 7.3.2.3 altere o estado inicial da contagem e verifique se o circuito responde adequadamente. Em seguida, inicie a sequência com um estado indesejado e verifique o funcionamento. 5. Se algum erro ocorreu e a tabela verdade esperada não foi obtida, execute a metodologia de depuração elaborada para encontrar o problema. Não se esqueça de apresentar no relatório o documento da metodologia de depuração; 6. Aumente a frequência do sinal de clock e descreva os efeitos observados. O que acontece se você aumentar a frequência do sinal de clock acima do valor máximo teórico calculado anteriormente?

89

Parte III Projetos Finais

91

I R EGRAS G ERAIS I.1

Introdução

Esse documento descreve os projetos finais que devem ser realizados pelos alunos de laboratório da disciplina de Sistemas Digitais I. O objetivo do trabalho final é o de fomentar a integração dos conhecimentos adquiridos ao longo do curso e propiciar maior experiência na elaboração de projetos na área de eletrônica digital. Os projetos devem ser realizados em duplas e entregues na data especificada pelo professor. Nas próximas Seções deste documento serão descritas as especificações dos temas propostos. Cada dupla deverá escolher e realizar apenas um dos projetos. O trabalho somente pode ser realizado pela dupla de alunos formada no início do semestre, ou por um único integrante: é vedada a participação de trios. Caso um integrante da dupla desista do curso ao longo do semestre, o aluno remanescente deve procurar um outro colega que esteja na mesma situação ou realizar o trabalho sozinho. Se este for o seu caso, avise o professor de sua turma de laboratório. Os projetos deverão ser implementados em protoboard e todas as especificações descritas devem ser cumpridas. A falta de qualquer especificação implicará na perda de pontos na nota final do trabalho. Antes da implementação do circuito em protoboard os alunos deverão realizar a simulação do circuito projetado para verificar se o projeto está adequado. Adicionalmente, os alunos devem preparar um relatório descrevendo, em detalhes, o processo de desenvolvimento do projeto. Neste documento devem estar descritos todos os passos relevantes para implementação do projeto. As etapas mínimas do desenvolvimento do projeto envolvem: • Descrição do funcionamento do circuito em diagrama de blocos, destacando as variáveis de entrada e saída; • Elaboração da(s) tabela(s) verdade do circuito; 93

I. R EGRAS G ERAIS

• Processo de simplificação do circuito; • Expressão lógica final e diagrama esquemático do circuito; • Simulação do circuito em software adequado; • Lista de materiais necessários para a montagem; • Processo de montagem; • Metodologia de testes, operação e depuração de erros; • Discussões; • Conclusões. Por fim, os alunos devem preparar uma apresentação de no máximo 5 minutos, apresentando os pontos principais do projeto e as maiores dificuldades encontradas. Após o tempo de apresentação o professor (ou uma banca de professores) terá 5 minutos para realizar perguntas a respeito dos projetos. Os alunos deverão verificar antecipadamente com os técnicos de apoio do laboratório a disponibilidade dos materiais necessários para a montagem. Caso não tenha disponível algum material é de responsabilidade do aluno obtê-lo ou refazer o projeto buscando alternativas para contornar o problema. Lembre-se, na sua vida profissional, nem sempre você terá todos os componentes necessários para executar um determinado projeto. Qualquer dúvida sobre os temas propostos e/ou sobre a realização dos projetos devem ser sanadas, antecipadamente, com o seu professor de laboratório.

I.2 Sobre os Temas de Projeto Neste semestre, a dupla poderá: 1. Optar por um dos sete temas apresentados nesta apostila; 2. Propor uma ideia de projeto para o professor de laboratório. A proposta deve ser encaminhada para avaliação do professor com antecedência de pelo menos um mês antes do final das aulas. A resposta da avaliação pode ser de três tipos: • Ideia aprovada sem modificações; • Ideia aprovada com modificações indicadas pelo professor. Neste caso, o projeto original deve ser alterado para atendar às especificações impostas pelo professor. • Ideia reprovada. ATENÇÃO O professor de sua turma de laboratório poderá apresentar critérios adicionais com relação à escolha dos temas ou outras restrições que julgar necessárias. 94

I.3. Documentos Esperados

I.3

Documentos Esperados

O projeto escolhido deve estar documentado da seguinte forma: • Um relatório impresso do projeto, nos moldes descritos na Seção I e de acordo com as regras descritas para elaboração dos relatórios dos experimentos (ver item 1.3 da Apostila). Neste documento, todos os diagramas de blocos e esquemáticos devem estar presentes e devidamente identificados. Não serão aceitos documentos manuscritos. • Um conjunto de no máximo 15 slides, descrevendo o trabalho realizado. Não é preciso imprimir os slides. • Todos os arquivos eletrônicos correspondentes os esquemáticos e simulações simulações do projeto. O conjunto dos três documentos deve ser compactado e enviado ao e-mail do professor, no mais tardar, um dia antes da data da apresentação do projeto. O arquivo será identificado da seguinte forma: XX YY aluno1 aluno2.zip, ode XX é a turma e YY a opção de tema. Exemplo: Fulano e Sicrano da Turma TT optaram pela opção de projeto 1 (ULA). O arquivo a ser enviado será TT 1 fulano sicrano.zip. No caso de projeto ser de tema livre, o campo YY deve ser “LL”.

95

JETO

PRO

1

ULA 1.1

Introdução

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

A

S

B

ULA Saída

Figura 1.1: Esquema simplificado de uma ULA.

1.2

Projeto Básico

A ULA projetada deve possuir as seguintes características funcionais: 97

1. ULA

Comprimento dos operandos: três bits (A0 A1 A2 e B0 B1 B2 ). Tipos de operação: há dois tipos de operação - com um e com dois operandos, totalizando oito operações possíveis para a ULA projetada. As operações com dois operandos são: soma, subtração, multiplicação, divisão, AND, OR, e XOR. A operação com um único operando é NOT. Em todos os casos, os operandos são números positivos entre 0 e 7. Para as operações lógicas, o resultado é da operação lógica feita bit a bit. No caso específico da divisão, o segundo display deve informar o resto da divisão. Exemplos de resultados para as operações estão na Tabela 1.1. Entrada de Dados: há duas entradas: uma para os operandos e outra para selecionar a operação. No caso de operações dois operandos, eles devem ser inseridos de maneira sequencial, como em uma calculadora simples. Saída de Dados: os operandos, assim como o resultado das operações, devem ser apresentados em displays de sete segmentos. No seu projeto, deixe claro quais os resultados para várias possibilidades de entrada e saída (isto é, elabore um manual de instruções de uso do seu circuito).

1.3

Exemplos de Funcionamento

Na Tabela 1.1, apresentam-se alguns resultados esperados para as operações lógicoaritméticas da ULA a ser projetada. Tabela 1.1: Exemplos de operações a serem realizadas pela ULA. Operação (OP) A + 011 x 111 100 ÷ 101 ÷ 110 AND 011 OR 011 XOR 011 NOT 000

1.4

B 001 101 010 011 010 101 101 101 NA

A OP B 100 100101 010 001 011 001 111 110 111

Display 04 35 2 12 30 01 07 06 07

Desafios Adicionais

• Aprimore a ULA para contemplar números negativos representados em complemento de dois (+2 pontos); • Aprimore a ULA para apresentar o resultado da divisão com uma casa decimal (+2 pontos); 98

1.4. Desafios Adicionais

• Aprimore a Saída de Dados para visualizar simultaneamente os operandos, a operação e o resultado da operação (+2 pontos); • Aprimore a Entrada de Dados para contemplar um teclado com 16 teclas (8 números, 8 operações). Para números negativos, insira uma tecla a mais para o sinal (+2 pontos).

99

PROJETO

G ERADOR

2.1

DE

2

O NDA Q UADRADA P ROGRAMÁVEL

Projeto Básico

Este projeto deve gerar uma onda quadrada de frequência programável (configurável), com as seguintes características funcionais: Número de frequências possíveis: 64, igualmente espaçadas; Entrada de Dados: chaves (ou teclado) para informar qual das 64 possibilidades de frequência será gerada na saída; um sinal START/STOP, para iniciar e terminar a geração da onda. Saída de Dados: dois displays indicando a opção de frequência; um ponto de extração para o sinal de onda quadrada; dois LEDs (verde, indicando que a onda está sendo gerada; vermelho, indicando que não há saída naquele momento), de acordo com a Figura 2.1. Sinal de Referência: este é um sinal externo (por exemplo, proveniente do gerador de funções), a partir do qual a sua frequência será subdividida em uma das 64 opções. A saída deve ser uma onda quadrada, com ciclo de trabalho de 50% e com níveis de tensão de 0 V para o nível baixo e de 5 V para o nível alto. Para verificar o funcionamento correto do circuito, o sinal de saída terá sua frequência medida com instrumentos de bancada.

2.2

Desafios Adicionais

• Aprimore a Entrada de Dados para contemplar um teclado (+2 pontos); 101

2. G ERADOR

DE

O NDA Q UADRADA P ROGRAMÁVEL

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

ON/OFF

Sel. Freq.

ON Gerador de Onda Quadrada

OFF Sinal

Ref. Displays Figura 2.1: Diagrama simplificado do gerador de sinais.

102

OJETO

PR

T ESTADOR 3.1

DE

3

CI S

Projeto Básico

Neste projeto, será realizado um testador de CIs, com as seguintes características: CIs testáveis: aceita quatro membros de CIs: ’00 (NAND), ’08 (AND), ’32 (OR) e ’86 (XOR); Entrada de Dados: uma tecla TESTA, para iniciar o teste; seleção para indicar qual tipo de CI está sob teste, conforme a Figura 3.1 Saída de Dados: dois displays, indicando qual CI está sendo testado; dois LEDs: vermelho (rejeitado) e verde (aprovado). O LED verde só acende se as todas as quatro portas do CI sob teste funcionarem adequadamente. A funcionalidade do circuito será confrontada com o resultado proveniente do testador de CIs microprocessado disponível no laboratório.

Aprovado

Testa

Rejeitado Displays Seleção

Figura 3.1: Esquema simplificado do testador de CIs.

103

3. T ESTADOR

3.2

DE

CI S

Desafios Adicionais

• Aprimore o projeto para detectar qual CI está sendo testado; o resultado deve ser visualizado no display. Especifique claramente qual o resultado a ser mostrado no display se a detecção não for conclusiva. Note que não há mais chaves na entrada para indicar qual é o CI sob teste (+2 pontos); • Aprimore o projeto para indicar quantas e quais das quatro portas estão com defeito (+3 pontos);

104

JETO

PRO

C ONTROLE 4.1

DE

M OTOR

DE

4

PASSO

Introdução

Os motores elétricos são dispositivos eletromecânicos que transformam energia elétrica em movimento rotativo por meio de ímãs e indutores em seu interior. Atualmente existem vários modelos diferentes de motores elétricos, os mais difundidos são os motores de corrente contínua (CC ou DC), os de corrente alternada (CA ou AC), os servomotores e os motores de passo. A escolha de cada um deles depende da aplicação e do custo envolvido. Nas aplicações onde é necessário um deslocamento angular ou linear para posicionar com precisão determinados componentes o motor de passo é o mais recomendado. No entanto, é possível utilizar qualquer outro tipo de motor para executar este tipo de tarefa, porém é difícil determinar a posição exata do componente ou peça do mecanismo, a menos que se utilizem sensores de posição, codificadores, servos e sistemas de comando, o que torna o projeto mais complexo e, muitas vezes, mais caro. O motor de passo converte pulsos em deslocamentos angulares precisos. A cada pulso, o eixo do motor se desloca por um ângulo preciso (passo) e permanece estável nessa posição se mais nenhum pulso for enviado. Aplicando uma série de pulsos, pode-se obter-se o deslocamento angular desejado. Se a série de pulsos não terminar, o eixo vai continuar girando constantemente com uma velocidade proporcional à frequência dos pulsos. Os motores de passo são muito utilizados nos periféricos para os computadores (scanners, discos rígidos, impressoras, etc), bem como nas cameras de vídeo, robótica, etc. No seu interior há estatores formados por bobinas que geram, quando percorridos por uma corrente elétrica, o campo magnético necessário para o movimento do rotor, que é construído com ímãs permanentes confeccionados de acordo com o número de passos. Essa rotação é controlada por meio de um circuito externo que pro105

4. C ONTROLE

DE

M OTOR

DE

PASSO

move a oscilação do sinal que percorrerá os pares de estatores e, por isso, não pode ser conectado diretamente à alimentação, pois desse modo não haveria a pulsação necessária para que o motor possa girar. Em outras palavras, os enrolamentos dentro do motor devem ser energizados e desenergizados em uma sequência específica para produzir movimento em passos discretos. Os sinais digitais são normalmente usados para controlar a corrente em cada enrolamento do motor.

Figura 4.1: Ilustração do acionamento das bobinas de um motor de passo. Como a maioria dos CI’s digitais CMOS e TTL, e até mesmo os microcontroladores atuais, não possuem capacidade de fornecer correntes elevadas é necessário um driver de potência para fazer o interfaceamento entre as saídas digitais e os circuitos indutivos do motor. Sem esse driver de potência, mesmo que os pulsos digitais sejam aplicados corretamente ao motor ele não irá funcionar, por não ter energia suficiente para girar o seu eixo.

4.2

Projeto Básico

Considerando as informações expostas acima, projete um sistema digital que realize o controle e acionamento de um motor de passo. O circuito projetado deverá permitir que o motor gire nos dois sentidos (horário e anti-horário) conforme uma chave seletora S, ou seja, quando S = 0 o motor deverá girar no sentido horário, mas quando S = 1, o motor deverá girar no sentido anti-horário. Além disso, o circuito projetado deverá permitir que o usuário selecione duas diferentes velocidades, 600 RPM ou 3000 RPM, de acordo com a chave V, ou seja, quando V = 0, a velocidade deverá ser de 600 RPM, mas quando V = 1 a velocidade deverá ser de 3000 RPM. Considere em seu projeto que um sinal de relógio externo de 100 Hz deve ser usado para gerar os sinais internos de controle do circuito. Informações extras: 106

4.3. Desafio Adicional

1. Utilize apenas CI’s TTL ou CMOS em seu projeto; 2. O motor de passo a ser utilizado na parte experimental estará disponível no laboratório com os técnicos. Para utilizá-lo o aluno deverá agendar previamente um horário e não poderá levá-lo para casa em hipótese nenhuma. 3. O motor de passo disponível no laboratório já possui um driver de potência para seu acionamento. Portanto, o aluno não precisará projetar o driver de acionamento. 4. É de responsabilidade do aluno levantar experimentalmente a seqüencia correta de pulsos para acionamento do motor de passo. Para isso, deverá ser elaborado um procedimento experimental detalhado antes de ir ao laboratório. Um monitor deverá estar presente acompanhando todos os passos. A tensão máxima de alimentação do driver/motor é de 5V e os alunos deverão tomar muito cuidado nas montagens para não exceder esse valor. Qualquer dúvida na montagem/utilização deverá ser consultado o professor/monitor/técnico. 5. O relatório final deverá conter o procedimento experimental elaborado para determinação da seqüencia de pulsos correta para o acionamento do motor de passo e também os resultados obtidos.

4.3

Desafio Adicional

Adicione ao seu projeto um circuito que permita que o eixo do motor “pare” precisamente em uma determinada posição angular especificada pelo usuário de acordo com duas chaves seletoras adicionais A e B, conforme mostrado na tabela abaixo (+2 pontos): Tabela 4.1: Condição do eixo do motor de passo de acordo com as chaves A e B. A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

Condição do Eixo do motor Gira livremente (velocidade de rotação definida pelo usuário) 90◦ 180◦ 270◦

107

JETO

PRO

5

F REQÜENCÍMETRO 5.1

Introdução

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

Figura 5.1: Método da contagem do relógio. Figura extraída de [SM11b]. Neste método, a medida da freqüência do sinal é obtida indiretamente. Assim, é preciso utilizar a seguinte relação: f ent =

freqüência do sinal de relógio do sistema contagem de ciclos

(5.1)

O segundo método é conhecido como método da contagem do sinal de entrada e envolve a contagem do número de ciclos do sinal de entrada ou do número de bordas de subida que ocorrem durante uma janela de duração pré-estabelecida, 109

5. F REQÜENCÍMETRO

e apresenta diretamente a freqüência do sinal. A Figura 5.2 ilustra os conceitos envolvidos. Se for utilizada uma janela de tempo com duração exata de 1 segundo, a contagem de ciclos é numericamente igual à freqüência do sinal de entrada em Hertz. f ent =

contagem de ciclos duração da janela

(5.2)

Figura 5.2: Método da contagem do sinal de entrada. Figura extraída de [SM11b]. Contudo esta estratégia de obtenção da freqüência apresenta alguns erros inerentes ao método de contagem. • Erro de precisão do sinal de relógio do sistema: Se a freqüência do relógio do sistema não for estável, isto fará com que a janela de tempo em que o sinal de entrada é analisado seja afetada. Isto pode levar a uma contagem final diferente do valor correto [SM11b]. • Erro de sincronização: Ocorre do fato do início da janela não coincidir com uma borda de subida do sinal de entrada. Assim, se a contagem levar em conta a ocorrência de bordas do sinal de entrada, o valor final pode não ser igual ao número de períodos contidos na janela de tempo [SM11b]. • Erro de quantização: Ocorre devido ao fato da janela de tempo ser finita [SM11b].

5.2

Projeto Básico

Levando em consideração as informações expostas acima, projete um circuito medidor de freqüências de um sinal digital periódico de 1 a 99 Hz com precisão de duas casas decimais. O valor da freqüência medida deve ser mostrado em displays de sete segmentos. O sinal de entrada deve ser originado a partir de um gerador de pulsos e monitorado através do osciloscópio. Um sinal de relógio externo de 8 Hz deve ser usado para gerar os sinais internos de controle do circuito. A precisão dos resultados obtidos deve ser independente do operador do circuito. 110


5.3

Desafio Adicional

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

111

JETO

PRO

V ERIFICADOR 6.1

DE

6

S ENHAS

Introdução

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

6.2

Projeto Básico

O circuito deve possuir dois modos de operação: o Modo de Configuração e o Modo de Segurança. Estes modos são selecionados através de uma chave no painel de controle. As outras chaves do painel somente ficam ativas enquanto o sistema não estiver bloqueado. • No Modo de Configuração é feita a programação da combinação de abertura do circuito que consta de 3 dígitos. Cada dígito é selecionado a partir de um total de 4 chaves de entrada. Esta combinação deve ficar armazenada na memória do sistema. • No Modo de Segurança é inserido um código, também constituído de 3 dígitos. Após a entrada deste código, caso haja coincidência com a senha de abertura programada anteriormente, um sinal deve ser enviado ao controle da trava para este ser aberto. Este sinal será representado através de um LED que deve permanecer aceso enquanto a trava não for aberta. 1 Proposta

de projeto e texto extraído de [SM06b]

113

6. V ERIFICADOR

DE

S ENHAS

A entrada das teclas que compõem a combinação deve ser feita seqüencialmente. O pressionamento de uma tecla é simulado através da ativação de uma chave. A chave deve ser desativada para que uma outra tecla seja posteriormente ativada (mesmo que seja o mesmo código). Após a mudança do modo de operação do circuito, deve-se prever uma reinicialização do sistema (RESET). Isto permite que, no modo de configuração, caso seja efetuado o cadastramento de uma senha inválida, seja possível o recadastramento da senha com o acionamento do sinal de RESET. Por outro lado, no caso de acionamento de um dígito inválido no modo de segurança, o usuário pode corrigir a entrada da senha correta, acionando-se o RESET. Isto só será possível durante a entrada dos dois primeiros dígitos da senha, pois o circuito deve bloquear seu funcionamento após a entrada do terceiro dígito e se a senha não for correta. Ou seja, caso o usuário não fornecer a senha correta, o circuito deve bloquear seu funcionamento e não responder a nenhum acionamento de qualquer tecla ou botão (p.ex. RESET, etc).

6.2.1 Detalhamento do verificador de senhas O aluno tem total liberdade para projetar o circuito da maneira que achar mais conveniente. No entanto, para auxiliar, a Figura 6.1 apresenta o diagrama de blocos com um projeto básico do verificador de senhas, onde os blocos envolvidos são: • CODIFICADOR: codifica cada chave de entrada selecionada em um código binário de 2 bits, que indica a chave selecionada; • MEMÓRIA: armazena a senha cadastrada no Modo de Configuração; • CONTADOR: fornece o endereço no qual o código da tecla deverá ser armazenado ou lido da memória; • COMPARADOR: compara cada um dos códigos inseridos no Modo de Segurança com o código correspondente previamente armazenado na memória; • UNIDADE DE CONTROLE: controla o funcionamento do circuito do verificador de senhas nos Modos de Configuração e de Segurança. Os sinais do circuito são os apresentados abaixo, classificados como sinais de entrada, sinais de saída e sinal de controle interno. 1. Sinais de Entrada: • TECLAS (CH0 a CH3) - chaves que correspondem às teclas de senha; • CONFIG /SEGURANÇA (CH7) - seleciona o modo de operação do circuito (0 = modo de configuração e 1 = modo de segurança); • RESET (B1) - inicialização do sistema em cada um dos modos de operação (pulso em nível alto); • CLOCK - sinal do gerador externo para sincronismo do controle. 114


2. Sinais de Saída: • MODO (LED 0) - indica o modo de operação do circuito (0 = modo de segurança e 1 = modo de configuração); • ABRE (LED 1) - quando em nível "zero” indica a abertura do circuito; • TRAVADO (LED 2) - indica que o circuito está travado/bloqueado. 3. Sinais de Controle Internos: • TECLA ACIONADA - sinal auxiliar que indica a seleção de uma chave de entrada; • CÓDIGO - código binário de 2 bits da chave selecionada; • CONTA - sinal de clock do contador para varredura dos endereços da memória; • ZERA - sinal para zerar o valor do contador para varredura dos endereços da memória; • COMPARAÇÃO - saída do comparador indicando igualdade ou não entre o código cadastrado e o código inserido; • SINAIS DE CONTROLE DA MEMÓRIA - utilizados para controle de operações de leitura e gravação de dados na memória.

6.3

Desafio Adicional

Altere o projeto para aceitar até três tentativas de senha errada (a quarta vez deve necessariamente ser a senha correta), ou o seja, o circuito somente bloqueia o funcionamento na se a terceira tentativa de inserção de senha falhar. Um display deve apresentar o número de tentativas restantes (+ 2 pontos).

115

6. V ERIFICADOR

DE

S ENHAS

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

116

JETO

PRO

D ETECTOR 7.1

C ORRETOR

E

DE

7

E RROS

Introdução

Em um sistema de comunicações digitais, é de grande interesse permitir que a transmissão seja robusta com relação à presença de eventuais erros oriundos de interferências ou da presença de ruído. Uma das maneiras de se fazer isto é por intermédio da inserção de um codificador de canal no transmissor e de um decodificador de canal no receptor, de acordo com a Figura a seguir. Receptor

Transmissor Fonte

m mensagem

Codif. de Canal

v

palavra-código

r

Canal

Decodif. de Canal

sinal recebido

ˆ m

Destino

mensagem recebida

Há várias possibilidades de se implementar codificação de canal, e aqui apresentaremos a chamada codificação em bloco. Nesta, a sequência de bits de mensagem m = [m 0 m 1 m 2 · · · m k ] é transformada, pelo codificador de canal, em uma outra sequência de bits v = [v 0 v 1 v 2 · · · v n ] chamada de palavra-código, onde n > k . Os (n − k) bits adicionais são chamados de bits de paridade. Note que os valores possíveis para os componentes de m e v são 0 e 1. A relação entre cada mensagem e a sua correspondente palavra-código é especificada por uma matriz G, de forma que v = m · G,

onde: • m é um vetor de dimensão 1 × k , correspondente à mensagem que se deseja transmitir; • v é a palavra-código associada à mensagem m, de dimensão 1 × n ; 117

7. D ETECTOR

E

C ORRETOR

DE

E RROS

• G é uma matriz de dimensão k × n , com elementos também binários. As operações do produto matricial são operadas em aritmética de módulo 2, isto é: 0+0 = 0; 0+1 = 1+0 = 1 e 1+1 = 2 = 0 (módulo 2). Como exemplo, suponha que uma mensagem particular m e a matriz G sejam dados por

m = [100]

e



 100101 G =  010011 . 001110

Neste caso, o que é realmente transmitido é o vetor v = [100101]. O receptor, por sua vez, recebe um vetor r de dimensão 1 × n , o qual representa a mensagem transmitida e eventualmente contaminada por erros (note que se não há erros, r = v). Para detectar se há algum um erro, realiza-se o teste da síndrome: calcula-se o vetor s = r · HT ,

onde HT é a transposta de uma certa matriz H de dimensão (n − k) × n , chamada de matriz de verificação de paridade. Mostra-se que, se não há erros inseridos durante a transmissão, a síndrome s satisfaz s = 0. Caso contrário, a síndrome terá outro padrão qualquer1 .

7.2

Projeto Básico

Projete um sistema de transmissão digital, contendo os seguintes blocos: • Uma fonte de informação, correspondendo a um bloco de k = 4 bits de mensagem; • Um codificador de canal usando codificação de blocos, com a matriz geradora especificada por   1000110   0100011 G=  0010101 0001111

   

• Um canal que insere erros na transmissão, representado por um padrão de erro e = (e 1 e 2 · · · e n ), onde o bit e i , i = 1, 2, · · · , n , corresponde à existência de um erro no bit i ; • Um decodificador de canal, com matriz de verificação de paridade dada por  1011100 H =  1101010  0111001 

1 Também

é possível que a síndrome seja nula se um determinado ri , contendo erros e originalmente correspondente à mensagem mi , coincida com uma outra palavra-código v j correspondente a outra mensagem m j .

118


O seu circuito deve apresentar, em notação hexadecimal em displays de 7 segmentos: • A mensagem (display D1); • A palavra-código correspondente (displays D2 e D3). O display D2 deve apresentar os 4 primeiros bits da palavra-código e o display D3, os três últimos bits. Por exemplo, se v = [1001101], o display D2 apresenta “9” e o display D3 apresenta “5”; • O sinal recebido r = v + e (displays D4 e D5).Note que a adição é módulo 2; • A síndrome correspondente (display D6). O receptor deve ainda indicar, usando LEDs, se há ou não erro na sequência recebida. A Figura a seguir mostra o diagrama de blocos do que deve ser implementado. LED Erro

e

Fonte

m

Codif. de Canal

v

Decodif. de Canal

r

Canal

ˆ m

Destino

s

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

O seu projeto deverá necessariamente conter um detalhamento do mapeamento entre mensagem e respectivas palavras-código, assim como a síndrome esperada para padrões de erro de 1 e 2 bits.

7.3

Desafio Adicional

Melhore o decodificador não apenas para não apenas detectar o erro, como também corrigir o erro. Apresente em um display adicional (display D7) a mensagem ˆ (+2 pontos). recuperada m

119

B IBLIOGRAFIA [dSS05]

Alexandre da Silva Simões. Experimento 03: Projeto e simulação de decodificador para display - Apostila de Laboratório de Circuitos Digitais 1. Universidade Estadual Paulista - Campus de Sorocaba, 2005.

[Hig]

Ricardo Tokio Higuti. Apostila de Circuitos Digitais I - Experiência 3 Multiplexadores e Decodicadores. Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - Campus Ilha Solteira - Departamento de Engenharia Elétrica.

[IC07]

Ivan Valeije Idoeta and Francisco Gabriel Capuano. Elementos de Eletrônica Digital. Érica, 40ª edition, 2007.

[SM06a] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Multiplexação de Displays Apostila do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP). Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2006. [SM06b] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Verificador de Senhas - Apostila do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP). Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2006. [SM11a] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Caracterização de Portas Lógicas - Apostila do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP). Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2011. [SM11b] Edison Spina and Edson T. Midorikawa. Frequencímetro - Apostila do Curso de Laboratório de Sistemas Digitais da USP (EPUSP). Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, Escola Politécnica da USP - Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, São Paulo, 2011. [SS07]

Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith. Microeletrônica. Pearson Prentice Hall, 5ª edition, 2007.

[TWM07] Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, and Gregory L. Moss. Sistemas Digitais - Princípios e Aplicações. Prentice-Hall, 10ª edition, 2007. 121

B IBLIOGRAFIA

[Uye02]

122

John P. Uyemura. Sistemas Digitais - Uma abordagem integrada. Pioneira Thomson Learning, 1 edition, 2002.

Parte IV Anexos

123

NEXO

A

P INAGEM

DE

A

CI S 74’ XXX

As pinagens a seguir foram extraídas do manual Pocket Data Book da Texas Instruments. Este apêndice não substitui a necessidade de o aluno ter o seu próprio conjunto de manuais, onde há especificação detalhada das características estáticas e dinâmicas dos CIs.

125

A. P INAGEM

126

DE

CI S 74’ XXX

127

A. P INAGEM

128

DE

CI S 74’ XXX

129

A. P INAGEM

130

DE

CI S 74’ XXX

131

A. P INAGEM

132

DE

CI S 74’ XXX

133

A. P INAGEM

134

DE

CI S 74’ XXX

135

A. P INAGEM

136

DE

CI S 74’ XXX

137

EXO

AN

B

D EPURANDO C IRCUITOS B.1

Considerações Gerais

Quando o circuito não funciona como esperado, o motivo pode ser dividido em três grupos não exclusivos: • Erro de projeto. • Erro na montagem. • Falha nos componentes. Analisaremos caso a caso cada um dos grupos.

B.1.1

Erro de projeto

Este erro pode ser evitado se o projeto for testado em um simulador de circuitos digitais (como o Circuit Maker ou Proteus). O erro de projeto é difícil de encontrar e ser corrigido em tempo de sala - especialmente se o circuito for complexo. Por este motivo é que enfatizamos o trabalho prévio e o teste nos simuladores. Não vá para a prática sem testar antes o seu projeto. Para fazer um bom projeto, atente para: • As especificações: tenha a certeza de que o seu projeto atende ao que foi pedido. O entendimento do problema, portanto, é essencial. • Deixar claro quais são as entradas e saídas do circuito. Esta regra vale também para cada bloco funcional do projeto. Com esta informação, é possível fazer um diagrama de blocos claro e objetivo, que pode ser usado como parte da documentação do relatório. 139

B. D EPURANDO C IRCUITOS

• Deixar claro qual funcionamento do projeto no caso de especificações imprecisas ou ambíguas.

B.1.2 Erro na montagem O erro na montagem provém essencialmente de dois elementos: • Documentação inadequada: falta de diagrama esquemático, tabelas de conexão erradas, pinagem errada. • Desatenção ou distração: conexões feitas de maneira errada, desorganização ao conferir as ligações, trechos do circuito em curto, entradas em aberto, etc. Listamos aqui, de maneira não exaustiva, alguns erros comuns na montagem dos circuitos. • Fonte de alimentação desligada ou desconectada da protoboard; • Chaves com terminais em curto ou em aberto; • LEDs polarizados incorretamente; • CIs sem as conexões de GND e/ou VCC ; • Subseções da protoboard sem “jumpers” (tipicamente nas trilhas de alimentação e terra); • Identificação errada do CI; • Fios de conexão quebrados; • CI invertido (“de cabeça para baixo”).

B.1.3 Falha nos componentes É possível que um ou mais componentes (CIs, LEDs, chaves, etc.) apresentem falha de operação, incluindo a protoboard. Porém este casos são relativamente raros, Não culpe em primeiro momento o componente; muito provavelmente a falha é humana.

B.2 O Processo de Depuração Não há nada difícil em depurar um circuito. Porém, são necessários uma boa dose de raciocínio lógico e de organização, qualidades importantes em qualquer profissional de engenharia. O processo como um todo pode levar um bom tempo (às vezes horas) e ser muito frustrante caso o erro não seja encontrado. Como hipótese de trabalho, o circuito não pode ter erros de projeto (ou seja, funcionou perfeitamente no simulador). Como regras gerais: 140

B.2. O Processo de Depuração

• Vá montando e testando. Muitos alunos montam todo o circuito para depois testar. Em circuitos complexos, isto torna o processo de depuração muito trabalhoso. Neste caso, você estará começando a montagem e inspeção pelas entradas, indo em direção à saída. • No caso de montar tudo para depois depurar, pode ser mais rápido começar da saída: identifique o problema (ou seja, bit de saída errado), e comece a procurar a fonte imediata do problema: cheque o LED, a saída do CI, e eventualmente entradas do chip que geram as saídas incorretas. Se o problema ainda persistir, verifique o CI que produziu as entradas incorretas, até encontrar o ponto de falha. • Regra do “mudou, testou”. Após a realizar uma alteração no circuito, teste novamente o funcionamento do bloco que acabou de ser depurado. Anote o que foi alterado (você pode esquecer que já fez), ou seja, documente os procedimentos executados. • Confie no multímetro. Não fique olhando se o LED está aceso ou não para saber se o circuito funciona ou não. No processo de depuração, utilize intensivamente o multímetro para verificar o estado de cada sinal. Ao usar o multímetro, encoste sempre a ponta de prova no pino do CI, e não nos furos da protoboard. Com isso, consegue-se detectar problemas como trilhas com defeitos ou pinos mal encaixados. • Verifique as falhas óbvias: conexão à fonte, trilhas de alimentação e terra, polarização dos LEDs. Isto deve ser rápido. Uma boa parte dos problemas está ligada a conexões erradas de VCC e GND. • Teste cada bloco funcional individualmente, depois em conjunto. Neste ponto, é importante ter em mente a divisão do projeto em blocos funcionais, com as entradas e saídas de cada bloco bem explicitadas. Nesta etapa, verifique se as saídas estão no nível lógico esperado para cada combinação dos sinais de entrada. • Tensões na zona proibida. Caso o CI apresente uma tensão em torno de 2.5 V, a saída está em nível lógico indefinido. As causas típicas são: – Falta de alimentação e/ou terra no CI; – Conexão entre as saídas de duas portas lógicas diferentes. Neste caso, se não houvesse a conexão, uma das saídas estaria em nível 0, enquanto a outra poderia estar em 1. Como estão conectadas, há uma inconsistência de valores; – Sinal de “enable” desabilitado; – CI com defeito. Se possível, use outra porta - por exemplo, a ’00 tem 4 portas NAND. A escolha comum é usar os pinos 1, 2 e 3. Experimente 4, 5 e 6, ou simplesmente as portas do outro lado do CI. 141

B. D EPURANDO C IRCUITOS

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

B.2.1 Boas práticas de montagem e uso da protoboard • Use cabos vermelhos para alimentação e pretos para terra. • Planeje a disposição previamente, de modo a minimizar as conexões longas e deixe um espaço razoável para inserir as chaves. Uma boa montagem permite identificar de maneira rápida os sinais de entrada e saída. • Se possível, use cores chamativas para identificar sinais críticos. Use seu próprio código, mas seja consistente. • Em geral, as medições de tensão são entre um pino do CI e o terra. Deixe a ponta de prova preta do multímetro conectada ao borne da protoboard e manuseie apenas a ponta de prova vermelha - é muito mais prático. • Evite fios muito curtos (pois podem escapar), mas principalmente os longos (isto é, prefira as folgas mais curtas). Fios longos deixam a montagem mais confusa e suscetível a desconexões ao manusear as ligações, pois é comum esbarrar nos fios. Não cruze os fios por cima do CI, pois se precisar substituir o chip fica mais difícil.

142

Apostila Labsd1 Full 20151

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