UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA CAMPUS CACHOEIRA DO SUL CIRCUITOS DIGITAIS I
PROJETO E SIMULAÇÃO DE UMA CALCULADORA SIMPLES COM DISPLAY DE SETE SEGMENTOS
Laís Menezes, Lucas Nogueira, Miréli Binder Vendruscolo
Cachoeira do Sul, RS, Brasil 2016
PROJETO E SIMULAÇÃO DE UMA CALCULADORA SIMPLES COM DISPLAY DE SETE SEGMENTOS
Por
Laís Menezes, Lucas Nogueira, Miréli Binder Vendruscolo
Relatório apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, projeto e simulação de uma calculadora simples com display de sete segmentos, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau da cadeira de Circuitos Digitais I.
Orientadora: Prof. Fernanda de Morais Carnielutti
Cachoeira do Sul, RS, Brasil 2016
RESUMO Relatório de Circuitos Digitais I Programa de Graduação em Engenharia Elétrica Universidade Federal de Santa Maria
Relatório apresentado ao curso de Engenharia Elétrica, projeto e simulação de uma calculadora simples com display de sete segmentos AUTORES: Laís Menezes, Lucas Nogueira, Miréli Binder Vendruscolo ORIENTADORA: Prof. Fernanda de Morais Carnielutti Cachoeira do Sul, 14 de dezembro de 2016
Este relatório trata do desenvolvimento e simulação de uma calculadora simples com display de sete segmentos. Para tal foram construídos circuitos lógicos que realizam as aritméticas, circuitos contadores para a seleção de dados de entrada e circuitos que disponibilizam os resultados em mostradores de 7 segmentos (decodificador para displays). Após foi feito uma simulção do circuito com portas lógicas genéricas e com componentes comerciais no software proteus.
Palavras-chave: calculadora simples, display de sete segmentos, portas lógicas;
SUMÁRIO 1.
Introdução ...................................................................................................................................... 5
2.
Objetivos ........................................................................................................................................ 6 2.1 Objetivo geral .............................................................................................................................. 6 2.2 Objetivos específicos ................................................................................................................... 6
3.
Desenvolvimento ............................................................................................................................ 7 3.1 Ferramentas utilizadas ............................................................................................................... 7 3.2 Conceitos Utilizados .................................................................................................................... 7 3.3 Somador/subtrator de 8 bits com sinal ...................................................................................... 8 3.4 Montagem no software Proteus ................................................................................................. 8 3.4.1 O somador/subtrator em complemento de 2 ...................................................................... 8 3.4.2 O descomplementador de 2 ................................................................................................. 8 3.4.4 O decodificador binário para BCD ..................................................................................... 9 3.5 Cis comerciais ............................................................................................................................ 10
4.
Resultados de simulação ............................................................................................................. 1 0
5.
Conclusão ..................................................................................................................................... 12
6.
Bibliografia .................................................................................................................................. 13
7.
Anexos .......................................................................................................................................... 14
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1. Introdução A eletrônica digital pode ser definida como um conjunto de determinadas técnicas e dispositivos integrados que pode ter vários graus de complexidade. Ela possui forte aplicação em controle de processos industriais, equipamentos de processamento de dados e equipamentos eletrônico em geral. Os circuitos digitais têm um papel fundamental na eletrônica digital, onde seu funcionamento se baseia na lógica booleana, onde a informação e guardade e processada em níveis lógicos “0” e “1” que
representam os dois níveis discretos de tensão. Os circuitos digitais são compostos por portas lógicas que são responsáveis pelas funções executada nos circuitos digitais. Cada porta lógica tem sua própria função lógica específica e são basicamente consituidas por transistores, principalmente da família MOS, que funcionam como uma chave liga-desliga. Com a evolução da microeletronica, os transistores foram ficando cada vez melhores e menores, aliados a obtenção de novos circuitos com o menor número possível de transistores. Logo resultando em circuitos digitais extremamente pequenos que caberiam e m um único encapsulamento de um chip. Esse trabalho tem como objetivo projetar uma calculadora digital simples que faça as operações de soma e subtração binárias de números de 8 bits com sinal. Será projetando um circuito que mostre o resultado da operação em um display de sete segmentos (decodificador para display). Implementaremos a simulação com portas lógicas, e não Cis comerciais. Após a simulação com o software proteus da calculadora simples , foi criada uma outra e simulada, essa com portas lógicas genéricas e com componentes comerciais do software Proteus. Foi especificado componentes comerciais que realizam as mesmas funções e podem ser empregados para a implementação do circuito digital resultante, e cujos modelos estejam presentes na biblioteca do Proteus.
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2. Objetivos Tem-se como objetivo planejar, desenvolver e implementar o(s) circuito(s) necessário(s) para o funcionamento de uma calculadora digital simples que execute a soma e a subtração binárias de números de 8 bits com sinal.
2.1 Objetivo geral Em âmbito geral, visa-se a otimização do desenvolvimento e, consequentemente, do resultado final do projeto. Bem como, adquirir conhecimentos e habilidades importantes para o entendimento de lógica digital através da construção dos circuitos e do planejamento/execução do projeto. Para que o circuito funcione da melhor maneira possível, necessita-se alcançar metas para aperfeiçoar cada etapa da elaboração do trabalho. Desde o princípio, deve-se observar cada detalhe e executar cada passo com bastante atenção e cuidado.
2.2 Objetivos específicos Busca-se aprimorar, planejar e executar corretamente as seguintes etapas: 1) Conhecimentos de circuitos lógicos; 2) Conceitos de aritmética binária; 3) Construção de tabelas verdade; 4) Extração de equações; 5) Circuito Somador/Subtrator; 6) Seletores e contadores; 7) Displays de 7 segmentos; 8) Compactação de circuitos; 9) Simulação em software;
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3. Desenvolvimento O projeto foi dividido basicamente em três partes: Pesquisa e desenvolvimento teórico do circuito lógico; simulação lógica do projeto;
3.1 Ferramentas utilizadas Utilizou-se o software Proteus que é um simulador de circuitos eletronicos, o Proteus é constituído pelo ISIS (para captura de esquemas, simulação SPICE e simulação de microcontroladores da família PIC, com voltímetro, osciloscópio e gerador de funções) e pelo ARES (que serve para criar layouts de placas de circuito impresso)
3.2 Conceitos Utilizados Adição Binária: Adição Binária é a operação mais simples de Circuitos Aritméticos. É executada da mesma forma que a decimal, inclusive no "Vai-Um" (Carry Out, de saída, e Carry In, de entrada) como pode ser entendida no exemplo dado abaixo. Quando somam-se dois números binários começa-se pela coluna menos significativa. Exemplo: 0+0 = 0 0+1 = 1 1+0 = 1 1+1 = 0 e "vai" 1
Meio Somador: O circuito combinacional que executa 2 bits é denominado de “Meio Somador”. O circuito Meio
Somador consiste em 2 entradas e 2 saídas. Podemos designar as 2 entradas pelos 2 bits a serem de entrada que serão somados e as 2 saídas que são a Soma. Abaixo tem-se a tabela verdade de um Circuito Meio Somador: Tabela 1 - Tabela Verdade de um Meio Somador A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
S 0 1 1 0
CO (CARRY OUT) 0 0 0 1
O circuito Meio Somador tem este nome porque ele não leva em consideração os resultados de somas menos significativas. Para casos em que a entrada menos significativa, denominada carry seja considerada, usa-se a denominação de circuitos de “Somador Completo”.
Somador Completo: Esses circuitos executam a soma dos 2 bits levando em consideração as entradas menos significativas de bit de carry. Este somador tem as mesmas saídas do Meio Somador, são elas
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a Soma e o Carry Out. O Somador Completo como citado acima possui Carry In. Ele é utilizado para somar números de pelo menos 2 casas. Isso é possível cascateando um MeioSomador com Somadores Completos.
3.3 Somador/subtrator de 8 bits com sinal A subtração de dois números inteiros pode ser representada pela seguinte fórmula: A− B= A+ B + 1
onde o barramento de B representa a complementação de B, bit a bit. Dois ou mais somadores completos podem ser conectados para construir somadores paralelos. Um circuito somador/subtrator n bits é originado do somador paralelo, porém com a adição de portas XOR nas entradas associadas a B, permitindo a negação individual de cada bit de B. Para números de oito bits, são necessários oito somadores/subtratores. A saída de carry gerada por cada somador/subtrator é conectada à entrada de carry do próximo somador/subtrator de maior ordem. O somador/subtrator paralelo pode operar dois números inteiros, positivos ou negativos, desde que ambos estejam representados em complemento de 2.
3.4 Montagem no software Proteus 3.4.1 O somador/subtrator em complemento de 2 Primeiramente, implementou-se um circuito somador/subtrator em complemento de 2 de oito bits. (Ver Anexo 1) Em um somatório de 8 bits, os resultados obtidos são resultados em complemento de 2 e estão entre [-127, 127], logo será necessário quatro displays de 7 segmentos para a visualização, sendo três especificos para os números e um específico para o sinal do resultado.
3.4.2 O descomplementador de 2 Como foi dito, os resultados do somador sairão em complemento de 2. É necessário descomplementar os resultados. Para esta operação deve-se subtrair um do resultado e logo em seguida calcular o complemento de 1. No projeto, o descomplementador de dois é constituído por um subtrator completo que faz a operação de subtrair um dos resultados e por um circuito constituído por portas XOR para complementar para 1. (Ver Anexo 2)
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3.4.3 O display de 7 segmentos
Um display comercial comum tem 12 pinos (Ver Figura 1).
O display utilizado no projeto tem quatro pino, isto se deve ao fato de que ele é um display BCD-7 Segmentos, o que significa que dentro dele há um decodificador BCD para 7 segmentos. Os quatro pinos são as entradas em BCD.
3.4.4 O decodificador binário para BCD O somador/subtrator opera com adição e subtração binária, porém deseja-se visualizar os resultados em um display de 7 segmentos. Como o display de 7 segmentos só recebe números em BCD, e o somador/subtrator resulta em binário em complemento de 2, implementou-se um circuito decodificador para converter números binários em números BCD. (Ver Anexo 3) Ele recebe as oito saída do descomplementador como entradas e resulta em 12 saídas em BCD.
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3.5 Cis comerciais
CI 74283- Somador/ Subtrator em C2; CI 74LS382 – Subtrator completo; CI 7447 – Descodificador BCD de 7 segmentos; CI 7486- XOR; CI 74185 – Descodificador de binario para BCD;
4. Resultados de simulação Over flow- transbordamento de dados;
Operação de soma
Operação de subtração;
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5. Conclusão Na realização do projeto tivemos a oportunidade, através de simulações, de observar a funcionalidade de vários circuitos integrados comerciais. Assim como a potencialidade que o software proteus oferece ao usuário. Atravez das aulas teóricas sobre operações com números binários, construimos a simulação de uma calculadora simples, na qual realiza apenas operações de soma e subtração, com números de 8 bits com sinal. Para a realização da atividade proposta, foi necessária a construção e aplicação de circuitos somadores e subtratores somente com portas lógicas básicas, os quais tivemos experiência em operá-los nas aulas práticas da disciplina de circuitos digitais I, no laboratório da elétrica da Universidade Federal de Santa Maria- Campus Cachoeira do Sul.
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6. Bibliografia https://books.google.com.br/books?id=hSQ6DAAAQBAJ&pg=PA191&lpg=PA191&dq=portas+l%C3%B 3gicas+gen%C3%A9ricas&source=bl&ots=sjcID7cwic&sig=YIhHGtZ88LQLnm4sGHg6r-Sh2NQ&hl=ptPT&sa=X&ved=0ahUKEwizc761e3QAhWIGJAKHRW8CaUQ6AEISDAK#v=onepage&q=portas%20l%C3%B3gicas%20gen%C3%A9r icas&f=false FLOYD, Tomas L. Sistemas digitais: Fundamentos e aplicações. 9.ed. Porto Alegre, RS: Bookman, 2007.
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7. Anexos
Anexo 1
Anexo 2
Anexo 3
Anexo 4
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Anexo 5
