2433_15Exp1

ESCOLA POLITCNICA DA UNIVERSIDADE DE SO PAULO Departamento de Engenharia Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos

PMR 2433 Eletrnica Analgica e Digital 2o Semestre 2015

Experincia 1

PORTAS LGICAS

O objetivo desta aula conhecer as chamadas portas lgicas circuitos integrados que implementam funes lgicas elementares, e implementar funes lgicas mais complicadas a partir delas portas. Para esta experincia, voc deve estudar o captulo 2 do livro-texto (Idoeta e Capuano, Elementos de Eletrnica Digital). O mesmo assunto est coberto no captulo 12 do livro Practical Eletronics, P. Scherz, at o item 12.2.4. Como esta a nossa primeira experincia e ningum de ferro, a Parte I contm um breve resumo dos aspectos tericos cobertos nesta aula, mas procure ler o livro-texto. Ateno: voc deve fazer com antecedncia e entregar no incio da aula um PR-RELATRIO, constitudo por alguns exerccios desta apostila. REVISE o pr-relatrio e a apostila antes da aula. Sua compreenso poder ser avaliada por meio de ARGIO ORAL.

Traga para a aula a apostila IMPRESSA. Os pontos importantes das atividades devem estar destacados ou grifados. As anotaes sero avaliadas e contaro na nota final da experincia.

PARTE I TEORIA

1.1 Portas Lgicas Elementares Portas lgicas (gates) so circuitos eletrnicos que implementam funes lgicas elementares por meio de sinais eltricos. Os valores lgicos so representados por tenses eltricas padronizadas. Por exemplo, o valor lgico falso (ou zero, ou desligado, ou ... como voc preferir) pode ser associado a uma tenso igual a 0 V, enquanto que o valor lgico verdadeiro (ou um, ou ligado, ou... etc) pode ser associado a 5 V. Em eletrnica digital, costuma-se designar esses nveis de tenso por L e H. Dentro do padro conhecido como TTL (Transistor-Transistor Logic) que usaremos no laboratrio, esses nveis correspondem s seguintes faixas de tenso eltrica:

L nvel lgico baixo (Low), de 0,0 V a 0,8V H nvel lgico alto (High), de 2,0 V a 5,0 V

Note que os nveis lgicos no so representados por tenses exatas, mas sim por duas faixas de tenso no sobrepostas. E em prol de uma notao mais limpa, vamos representar o nvel de tenso L pelo smbolo lgico 0 (zero). Ao nvel de tenso H, associamos o smbolo 1 (um). Vamos ver as portas que implementam as trs funes lgicas elementares: NOT, AND e OR.

1.1.1 Porta NOT (inversora, complemento ou negao lgica) A porta NOT possui uma entrada (Y) e uma sada (Z). A Figura 1.1 mostra o smbolo da porta NOT, tambm conhecida como inversora. A sada fornece o nvel lgico complementar ao da entrada, ou seja

se Y = 0 ento Z = 1 se Y = 1 ento Z = 0

Y Z

Figura 1.1 Smbolo da porta lgica NOT (inversora)

A funo NOT costuma ser indicada de diversas formas diferentes. A expresso 1.1 mostra as mais comuns. A primeira e a segunda so as mais empregadas em textos, como esta apostila. As notaes /Y e _Y aparecem mais em desenhos, enquanto que as duas ltimas so usadas em linguagens de programao.

YYYYYYY !~_/)(NOT ====== . (1.1)

PMR2433 Eletrnica Analgica e Digital Experincia 1 C. M. Furukawa

Escola Politcnica da USP, Dep. de Eng. Mecatrnica e de Sistemas Mecnicos 2o sem. 2015 2

1.1.2 Porta AND (E lgico) Uma porta AND possui duas entradas (A e B) e uma sada (Z). A Figura 1.2 mostra o smbolo da porta AND e a sua Tabela da Verdade (valores de sada tabelados para cada possvel combinao de entradas). A notao matemtica para se representar uma operao AND a de um produto.

A

B Z

A B Z = A.B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Figura 1.2 Smbolo da porta lgica AND e sua Tabela da Verdade

1.1.3 Porta OR (OU lgico) A porta OR tambm possui duas entradas e uma sada. A Figura 1.3 mostra o smbolo da porta OR e a tabela da verdade desta. Matematicamente, denota-se a operao com o smbolo +.

A Z

B

A B Z = A+B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

Figura 1.3 Smbolo da Porta OR e sua Tabela da Verdade

1.2 Portas NAND e NOR Combinando as trs funes lgicas elementares (NOT, AND e OR), podemos construir outras funes. o caso, por exemplo, das funes NAND e NOR - combinaes bastante simples, mas de extrema importncia.

1.2.1 NAND Uma porta NAND uma porta AND seguida por um inversor. Seu smbolo lgico e tabela da verdade esto na Figura 1.4. Note que o smbolo do inversor foi simplificado, restando apenas a bolinha.

A

B Z

A B Z = (A.B) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Figura 1.4 Smbolo lgico e tabela da verdade da porta NAND.

1.2.2 NOR Uma porta NOR constituda por uma porta OR seguida por um inversor, conforme mostra a Figura 1.5.

A Z

B

A B Z = (A+B) 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

Figura 1.5 Smbolo e tabela da verdade da porta NOR.

Verdade seja dita: na prtica, a porta AND que construda a partir de uma porta NAND e um inversor! Por motivos tecnolgicos, mais fcil construir com transistores uma porta NAND do que uma AND. Por isso, as portas AND empregam mais transistores e so mais lentas apresentam maior atraso de propagao. O mesmo pode ser dito a respeito das portas OR e NOR.

1.3 Porta XOR (OU-EXCLUSIVO) A funo OU-EXCLUSIVO (conhecida como XOR) uma funo lgica que tem vrias aplicaes. Como seu nome indica, a funo XOR difere da funo OR por excluir a condio em que ambas as entradas esto em um. A Figura 1.6 mostra o smbolo da funo XOR e a sua tabela da verdade. Denotamos esta operao com o smbolo .



Z A

B

A B Z = AB 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Figura 1.6 Smbolo da Porta XOR e sua Tabela da Verdade

Como qualquer funo lgica no elementar, a funo XOR pode ser construda a partir das funes elementares. Por hora, acredite que a expresso abaixo valida (ela ser demonstrada na seo 1.5).

. .A B A B A B = + . (1.2)

1.4 Circuito Integrado (CI) A maioria dos circuitos digitais, desde as portas lgicas vistas nas sees anteriores at os poderosos micro-processadores de ltima gerao, so fabricados em lminas silcio um material semi-condutor. Em um nico centmetro quadrado de silcio so integrados milhes de transistores e outros dispositivos eletrnicos em escala microscpica, constituindo os chamados circuitos integrados (CI), tambm conhecidos como chips. Por serem muito frgeis, os chips so encapsulados em pastilhas de epoxi ou cermica, contendo pinos metlicos ligados aos pontos de entrada e sada do circuito. No laboratrio, usaremos alguns circuitos integrados bsicos. Em anexo, so fornecidas partes selecionadas das folhas de especificaes (os famosos datasheets) desses componentes. o caso por exemplo do 74LS08, uma pastilha de 14 pinos que contm em seu interior quatro portas AND, cada uma com duas entradas. Veja o seu datasheet para ver como as entradas e sadas das portas conectadas aos pinos do CI. Por exemplo, repare que a primeira porta tem suas entradas (denominadas A1 e B1) ligadas aos pinos 1 e 2, enquanto que a sada (Y1) est ligada ao pino 3. Usaremos componentes encapsulados em pastilha padro DIP (Dual In-line Package), cuja ilustrao e dimenses fsicas esto na segunda pgina do data sheet do CI 74LS04. Repare no recorte e na marca esquerda da primeira vista superior: elas indicam a posio do pino 1.

A lista completa de CIs que usaremos nesta experincia a seguinte: 74LS04 hex inverter (ou seja, seis portas inversoras) 74LS08 quad 2-input AND (ou seja, quatro portas AND de duas entradas) 74LS32 quad 2-input OR 74LS86 quad 2-input XOR

1.4.1 Alimentao Note ainda que o CI um circuito eletrnico ativo, que precisa ser alimentado por uma fonte de tenso externa para poder funcionar. Afinal, de que outra forma uma porta lgica poderia fornecer na sada uma tenso no nula mesmo tendo todas entradas em 0 V? Portanto, o pino 14 (indicado por VCC) deve ser ligado a uma fonte de tenso enquanto que o pino 7 (GND) deve ser conectado ao borne negativo da fonte. As letras LS presentes no cdigo dos componentes indicam que estes fazem parte de uma sub-famlia tecnolgica do padro TTL (Transistor-Transistor Logic). Em TTL, a tenso de alimentao de 5 V (ou seja, deve-se usar VCC igual a 5 V).

1.4.2 Nveis lgicos e entradas em aberto Como j dissemos, uma tenso entre 0 e 0,8 V entendida como nvel LOW em um circuito TTL. Por exemplo, quando queremos impor nvel lgico L em uma entrada, podemos lig-la a 0 V. J uma tenso entre 2,0 a 5,0 V corresponde ao nvel HIGH no padro TTL, e para impor nvel lgico H numa entrada basta lig-la a VCC. Resta ento uma questo instigante: qual nvel lgico estaria associado a entradas deixadas em aberto ou seja, ligadas a NADA? Resposta: por motivos construtivos, o padro TTL estabelece (arbitrariamente) que uma entrada totalmente em aberto equivalente a uma entrada em nvel HIGH, ao contrrio do que voc provavelmente poderia supor mesmo porque ausncia de sinal no a mesma coisa que 0 V. Mas qual seria a tenso presente em uma entrada deixada aberta? Algo dentro da faixa do nvel H, entre 2 e 5 V? Tambm no, porque no seria possvel distinguir uma entrada sem sinal de uma entrada com nvel H. Dessa forma, uma tenso fora das faixas vlidas L (de 0 a 0,8 V) ou H (de 2 a 5 V), tanto numa entrada como numa sada, geralmente indica um mal contato ou componente pifado. Concluso: entradas no usadas que devem ficar fixas em nvel lgico 1 NO DEVEM ser deixadas em aberto, pois estariam sujeitas a rudo e outros sinais esprios. Elas devem ser ligadas a VCC.



1.5 Diagrama Lgico Qualquer funo lgica pode ser implementada a partir das portas elementares NOT, AND e OR. Vamos, por exemplo, construir uma porta XOR a partir da expresso 1.2. A Figura 1.7 mostra o esquema de conexes de um circuito que implementa uma funo XOR de duas entradas. Um esquema como este chamado de diagrama lgico ou, carinhosamente, de DL. O circuito utiliza trs CIs. O CI 74LS04, por exemplo, contm seis portas NOT em seu interior, sendo que apenas duas delas (indicadas por U1a e U1b) so usadas. Veja o datasheet desse componente em anexo. O DL da Figura 1.7 exemplifica algumas boas normas de documentao de circuitos lgicos: Os componentes so identificados com seus cdigos comerciais (74LSxx) e identificador (U1, U2, U3).

Esses identificadores so impressos nas placas de circuito prximos aos componentes, para permitir identificar quem quem no circuito j montado.

Mltiplas portas de um mesmo CI so diferenciadas por letras (U1a, U2b, etc). Os pinos dos CIs ligados s portas esto numerados Os sinais mais importantes so identificados por nomes (A, /A, etc)

U2a

U2b

U3a

74LS32 (A2)

74LS08 (B3)

U1a

U1b A

B

/A

/B

74LS04 (A3) 1

3

2

4

1

2

4

5

3

6

1 3 Z

2

C1

led

chave

C2 chave

L0

Figura 1.7 Diagrama lgico de um circuito XOR construdo com portas elementares

Preste ateno nos detalhes para desenhar as portas corretamente! Porta AND: entrada reta e sada redonda Porta OR, entrada curva e sada pontiaguda!

Nota: As indicaes (A2), (A3) e (B2) so uma particularidade do nosso curso: indicam a posio do soquete (linha e coluna) no painel de montagem EPUSP-LSD que usamos, descrito mais a frente. Inclumos tambm smbolos para representar as chaves (quadrados) que fornecem os sinais de entrada e o led (crculo) que acionado pela sada do circuito. Adote essa prtica ao fazer os diagramas pedidos no pr-relatrio e no relatrio. Isso vai facilitar sua vida na hora de montar e testar o circuito.

1.6 Tabela da Verdade A Tabela 1.1 a chamada tabela da verdade completa do circuito. Ela contm o valor das sadas de cada porta lgica para cada combinao possvel de entradas. Como voc pode ver, a sada do circuito (pino 3 do componente U3) atende a definio da funo XOR, dada na tabela da Figura 1.6.

Tabela 1.1 Tabela da verdade completa do circuito da figura 1.7. A B /A

(U1 pino 2) /B

(U1 pino 4) A./B

(U2 pino 3) /A.B

(U2 pino 6) A./B + /A.B (U3 pino 3)

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

Tabelas da verdade completas como essa so muito teis para localizar defeitos em circuitos lgicos. Por exemplo, se fazemos A = 0 e B = 0 no circuito da Figura 1.7 e a sada resulta em 1, uma ou mais portas esto com defeito ou pode haver algum mal contato. Nestas condies, podemos verificar o valor da sada de cada porta lgica, em busca das que no reproduzem o valor previsto na Tabela 1.1.

1.7 Introduo lgebra de Boole As funes lgicas AND e OR constituem uma lgebra, denominada lgebra de Boole. por esse motivo que as representamos matematicamente pelos habituais operadores algbricos . e + respectivamente.



A definio formal da lgebra determina que o seu conjunto domnio inclua pelo menos dois elementos: 0 (elemento neutro da operao +) e 1 (elemento neutro da operao .). No caso particular em que o conjunto de domnio composto por apenas 0 e 1, temos a lgebra de Chaveamento, que constitui a base terica dos sistemas digitais. Como toda boa lgebra, a lgebra de Boole pode ser formalmente definida por um conjunto de postulados (ou axiomas), a partir do qual derivam-se propriedades e teoremas que constituem uma caixa de ferramentas para manipular expresses algbricas. A seguir, listamos algumas propriedades bsicas, que voc pode confirmar analisando as tabelas da verdade das funes elementares (seo 1.1 ). Outras propriedades sero estudadas nas aulas tericas e nas prximas experincias.

Elemento neutro 1. .10 0

a a a

a a a

= =

+ = + = (1.3)

Complemento . . 0

1

a a a a

a a a a

= =

+ = + = (1.4)

Comutatividade . .a b b a

a b b a=

+ = +

(1.5)

Idempotncia .a a a

a a a

=

+ = (1.6)

Absoro 0. .0 01 1 1

a a

a a

= =

+ = + = (1.7)

Involuo ( )a a= (1.8) Distributividade

( ). . .( . ) ( ).( )a b c a c b ca b c a c b c

+ = +

+ = + + (1.9)

A segunda igualdade da propriedade 1.9 pode causar estranheza, pois mostra que a operao + distributiva sobre a operao . na lgebra de Boole.

1.8 Verificador de Paridade Vamos ver um aplicao da funo XOR. muito comum sistemas digitais necessitarem trocar informaes com outros, e nesses casos a mensagem enviada por um lado est sempre sujeita a ser recebida com erros pelo outro lado devido a algum mal contato, rudo ou interferncia eletromagntica. O mecanismo de paridade o seguinte: o emissor envia ao receptor uma mensagem de n bits e mais um bit adicional chamado bit de paridade, que funo dos n bits da mensagem propriamente dita. Existem dois tipos de paridade: paridade par e paridade impar. Na paridade par, o bit de paridade ajustado para que os N + 1 bits (N de mensagem + 1 bit de paridade) tenham sempre um nmero par de bits iguais a um. Na paridade mpar, o bit de paridade ajustado para que os N + 1 bits tenham um nmero mpar de uns. O bit de paridade mpar, obviamente, o complemento do bit de paridade par. Considere por exemplo a mensagem 0001 (n = 4 bits). Adotando-se paridade par, a mensagem seria transmitida como 00011 com o bit de paridade igual a 1 para que o nmero total de uns transmitidos seja par (dois, neste caso). Analogamente, no caso de paridade mpar, transmitir-se-ia 00010. Se a mensagem for recebida sem erros, o bit de paridade estar coerente com os n bits recebidos. Caso contrrio, isso no acontece. Note que erros em at um bit so detectados, mas no h como corrigi-los. Ao detectar um erro, o receptor deve solicitar a retransmisso da mensagem ou ignor-la. A paridade par, que denotaremos por PP, gerada com uma operao XOR entre todos os bits da mensagem, e a paridade mpar (PI) simplesmente o complemento desta operao.

021 bbbPP nn = , (1.10)

021 bbbPPPI nn == . (1.11)



Note que para implementar essas funes seriam necessrias portas XOR de vrias entradas, o que no comum. Por exemplo, cada porta do CI 74LS86 possui apenas duas entradas. Isso no problema, sabendo que a funo XOR associativa! Ou seja,

2 1 0 2 1 0 2 1 0( ) ( )b b b b b b b b b = = .

1.9 Somador Binrio Completo O somador completo ou full adder, um circuito digital com trs bits de entrada (a, b e c) e dois bits de sada (s1 e s0). O esquema desse circuito e a tabela da verdade esto na Figura 1.8.

a

b

c

s1 s0

a b c s1 s0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1

Figura 1.8 Somador completo e sua tabela da verdade

Repare que as sadas s1 e s0 formam juntas um nmero em binrio de 2 bits de 00 a 11 (0 a 3 em decimal) que corresponde soma artimtica dos valores (0 ou 1) dos trs bits de entrada a, b e c! Voc saberia dizer qual a funo lgica correspondente ao bit de sada s0? A vai uma dica. Como s0 o bit menos significativo do resultado, seu valor ser igual a 1 somente quando a soma for mpar. Ou seja, quando houver um nmero mpar de entradas em 1. Portanto... s0 ser um detector de paridade mpar um XOR de todas as entradas, como vimos na seo 1.7 .

0s a b c= . (1.12)

A equao do bit mais significativo da soma s1 menos bvia, mas podemos concluir que ser igual a 1 sempre que a soma resultar maior ou igual a dois (10 em binrio). Portanto, s1 deve detectar situaes em que pelo menos 2 das entradas sejam iguais a 1. Ou seja, s1 1 quando: a e b valem 1, ou a e c valem 1, ou a e c valem 1. Matematicamente, temos

1 . . .s a b a c b c= + + . (1.13)

1.10 Somador de n bits. Seria possvel ento construir um circuito para somar dois nmeros binrios, cada um com n bits? Por exemplo, vamos fazer manualmente a soma 11 + 11 = 110 (em decimal, 3 + 3 = 6). Fazendo a soma coluna a coluna analogamente ao que faramos ao somar dois nmeros em decimal, temos o procedimento ilustrado na Figura 1.9.

1 1

1 1 + 1 1

1 1 1 1 0 Figura 1.9 Exemplo de soma binria de 2 nmeros de 2 bits

Na primeira coluna da direita, a soma binria 1 + 1 dos bits menos significavos resulta em 10 (2, em decimal), sendo que o 0 compe o resultado da soma da coluna e o 1 o vai-um e passa para a coluna seguinte. Esse vai-um passa a ser o vem-um da segunda coluna e deve ser somado aos dois bits dessa coluna, de forma que temos 1 + 1 + 1 = 11 (em binrio), gerando novo vai-um, que passa para a terceira coluna, e assim por diante. Elementar, no? Concluso: possvel construir um somador de n bits usando n somadores completos da Figura 1.8, nos quais o bit mais signficativo s1 de sada passa a ser o vai-um de uma coluna da soma e deve ser ligado a um dos bits de entrada (por exemplo, o bit c) da coluna seguinte. Antes de ver como ficaria o circuito, convm mostrar o smbolo mais usado para representar o somador completo. Ele se encontra na Figura 1.10, onde apenas trocamos os nomes das entradas a b c por ai bi ci e das sadas s1 s0 por ci+1 e si, respectivamente.



ai bi ci

ci+1 si

Figura 1.10 Smbolo lgico do somador completo

Com essa representao, as equaes das sadas ficam

i i i is a b c= , (1.14)

1 . . .i i i i i i ic a b a c b c+ = + + , (1.15)

que obviamente so equivalentes s equaes de s0 e s1 mostradas na seo anterior. A entrada ci conhecida como carry-in (vem-um) e a sada ci+1 chamada de carry-out (vai-um). Portanto, podemos construir somadores de vrios bits conectando a sada carry-out de um somador completo entrada carry-in de outro. Essa soluo conhecida como ripple-carry. Sejam ento 2 nmeros binrio de n bits, a[n1:0] = an

1 an

2.. a1 a0 e b[n1:0] = bn

1 bn

2.. b1 b0. Um

circuito para som-los em binrio pode ser construdo como mostra a Figura 1.11. Essa figura um exemplo de representao hierrquica: cada somador representado por um smbolo lgico (a famosa caixa-preta) em que se indicam apenas as entradas e sadas e os detalhes de implementao so omitidos. Do lado de dentro dos smbolos, aparecem os nomes genricos dos sinais (propostos pelo fornecedor ) e do lado de fora os sinais tm os nomes definidos no projeto do circuito.

ai bi ci

ci+1 si

ai bi ci

ci+1 si

an1 bn1 an2 bn2

sn sn1 sn2

. . .

ai bi ci

ci+1 si

ai bi ci

ci+1 si

a1 b1 a0 b0

s0 s1

c0 c1 cn2 cn1

Figura 1.11 Somador ripple-carry de n bits.

Note que o resultado da soma tem n+1 bits, de sn a s0. E para que fique claro: apesar de terem o mesmo nome, a equao da sada s1 da Figura 1.11 (que soma dois nmeros de n bits) NO a mesma da sada s1 vista na Figura 1.8 (que soma trs bits). Note tambm que o carry-in do somador dos bits menos significativos (c0) foi deixado como uma entrada independente, de tal forma que podemos facilmente adicionar 1 ao resultado da soma fazendo c0 igual a 1. Em outras palavras, o circuito realiza a seguinte soma em binrio:

s[n:0] = a[n1:0] + b[n1:0] + c0.

Cabe uma ressalva importante: apesar de funcionar corretamente, o somador ripple-carry no usado na prtica devido ao problema de atraso de propagao. Como as sadas de cada somador completo levam algum tempo para se estabilizarem aps uma variao nas entradas, o bit mais significativo da soma somente se estabiliza aps n vezes esse atraso de propagao. A soluo envolve circuitos dedicados para calcular em paralelo cada um dos bits de carry-in, os chamados Geradores de Vai-Um.

1.11 Equipamentos 1.11.1 Multmetro O multmetro um instrumento de laboratrio voltado medio de tenses, correntes e resistncias. No caso do multmetro digital Minipa ET-2060 que usaremos (mostrado na Figura 1.12), podem ser feitas tambm medies de frequncia, capacitncia, teste de diodo, teste de transistor. A chave rotativa permite selecionar as funes e escalas. Tenses e correntes podem ser medidas em valor contnuo (DC) ou alternado senoidal (AC), posicionando-se a chave esquerda do aparelho. A ponta de prova preta deve ser ligada ao terminal COM (preto) em todos os casos. Para medidas de tenso e resistncia, a ponta de prova vermelha deve ser ligada ao terminal V/ (vermelho) os outros terminais amarelos da direita se destinam a medidas de corrente e no sero usados neste curso.



Figura 1.12 Multmetro Minipa ET-2060

LEMBRE-SE: uma medida de tenso sempre se refere a DIFERENA DE POTENCIAL (ddp) entre DOIS PONTOS. Mas quando nos referimos tenso em um ponto do circuito, subentendemos que se trata da diferena de tenso entre o tal ponto com relao tenso de referncia do circuito (o chamado terra), ao qual arbitrariamente atribumos o valor 0 V. Portanto, ao medir a tenso em um ponto, conecte a ponta preta do multmetro (COMUM) a um ponto de terra. Um recurso til do multmetro: teste de continuidade. Essa funo indicada por um smbolo de bip na parte inferior da chave rotativa (veja a indicao na Figura 1.12). Nessa condio, o multmetro emite um bip sempre que as pontas de provas so postas em curto-circuito. Por exemplo, use o teste de continuidade para verificar se algum cabinho est rompido. Ateno: o teste de continuidade funciona de forma semelhante medida de resistncia, ou seja, o multmetro aplica uma tenso entre as pontas de prova e mede a corrente que circula entre elas. Portanto, NO se deve testar a continuidade ou medir a resistncia em partes de um circuito ENERGIZADO. Caso contrrio, voc pode queimar o multmetro ou o circuito, ou ambos. Cuidado tambm para no aplicar o teste de continuidade ou a medio de resistncia em partes eletricamente muito sensveis, pois a tenso aplicada pelo multmetro pode ser suficiente para queim-las. Quando no estiver usando, mantenha o multmetro DESLIGADO (chave seletora na posio 0).

1.11.2 Fonte de tenso A Figura 1.13 mostra a fonte de tenso disponvel no laboratrio, modelo Minipa MPC-3003D. Ela possui trs sadas de tenso: uma fixa de +5 V e duas sadas ajustveis, cada uma delas com capacidade de 3 A de corrente. Nesta experincia, usaremos como VCC apenas a sada fixa de +5 V, disponvel entre os dois terminais da direita: preto (negativo) e vermelho(positivo). O boto verde esquerda (Power) permite ligar e desligar a fonte. Os demais botes de ajuste no sero usados.

Figura 1.13 Fonte de Alimentao Minipa MPC-3003D

1.11.3 Painel didtico LSD-EPUSP Para a montagem de circuitos digitais, o Laboratrio dispe do painel didtico mostrado na Figura 1.14. O painel contm conectores para 12 circuitos integrados de at 16 pinos. Uma vez feito o projeto, voc pode montar o circuito colocando os CIs nos conectores e fazendo ligaes entre os pinos.

Chave DC/AC

Teste de continuidade



Jumpers Trilha de 0 V

Trilha de 5 V

Trilha de 0 V

Trilha de 5 V

Soquetes

Figura 1.14 Painel LSD/EPUSP para montagem de circuitos digitais

Principais elementos do painel: 12 soquetes DIP (Dual In Line) de 16 pinos, dispostos numa matriz de 3 linhas identificadas pelas letras A,

B e C na lateral, e 4 colunas numeradas de 1 a 4 no alto do painel.

Interruptores biestveis C0 a C7, que so utilizados para gerar sinais de nvel constante (0 ou 1). Cada um dos oito interruptores est ligado a um pino de acesso identificado com o mesmo cdigo. Os pinos de acesso apresentam tenso de nvel correspondente posio dos interruptores: 0 V ou 5 V.

16 leds, numerados de L0 a L15 e ligados a pinos de acesso identificados com o mesmo cdigo. Um led apaga quando se aplica 0 V ao seu pino de acesso, e acende com 5 V ou quando pino estiver em aberto.

1.12 Pr-Relatrio e Relatrio O pr-relatrio composto pelos EXERCCIOS contidos nesta apostila. Voc dever entregar o pr-relatrio at o comeo da aula de sua turma, caso contrrio no poder fazer a experincia.

A nota do pr-relatrio depende tambm de uma ARGIO ORAL que poder ser feita em a aula. Portanto, revise o pr-relatrio e a apostila antes da aula. A argio oral tambm poder ser feita para esclarecer partes confusas ou mal feitas no pr-relatrio, por isso importante que voc o faa com esmero.

Os exerccios podem ser resolvidos a lpis, mas as respostas finais devem ser escritas caneta. Faa-os com antecedncia, para ter tempo para tirar dvidas e fazer todos os exerccios. Procure faz-lo mo livre: isto uma habilidade importante para quem vai precisar se comunicar graficamente em reunies de trabalho! Leia com ateno todas as atividades da Parte II antes da aula, e no apenas os exerccios. Assim, voc ter uma noo das atividades a serem desenvolvidas e perder menos tempo durante a aula. Traga para a aula a apostila IMPRESSA. Os pontos importantes das atividades devem estar destacados ou grifados. As anotaes sero avaliadas e contaro na nota final da experincia.



PARTE II PRTICA

LEIA tudo com ateno

Em caso de dvida, PERGUNTE

Evite acidentes seja CUIDADOSO

Sempre que for mexer no circuito DESLIGUE A FONTE

As atividades sero feitas em duplas. Cada dupla dever projetar os circuitos em comum acordo e executar as atividades em equipe. Contudo, relatrio deve ser feito individualmente e entregue at o final da aulas. O relatrio composto pelas ANOTAES indicadas na parte prtica. Procure faz-las MO LIVRE. Verifique se sua bancada est em ordem e limpa. Todos os itens devem estar identificados com o mesmo nmero da bancada de 1 a 10. NO PEGUE equipamentos ou acessrios de outra bancada sem autorizao. Comunique qualquer problema ao professor e preencha uma Comunicao de Defeito, disponvel no laboratrio. Quando um circuito no se comportar como esperado, NO DESMONTE TUDO. Tente encontrar o problema metodicamente. Primeiro, certifique-se que seu projeto est correto e que foi montado corretamente. Em seguida, use a tabela da verdade completa para depurar o circuito. Ou seja, mea como multmetro as sadas de cada porta do circuito, comparando com os valores previstos na tabela. Ao encontrar uma sada discrepante, confira a tenso nas entradas da porta. E se encontrar uma tenso fora das faixas de L ou H, voc ter encontrado um ponto com problema: uma entrada em aberto ou uma sada pifada. Caso encontre algum erro no seu pr-relatrio durante as atividades, no corrija. Ao invs disso, documente o erro no relatrio: descreva o erro, o efeito observado e as correes necessrias.

Atividade 1 Nveis Lgicos Anotao 1a Anote no cabealho do relatrio: seu nome, o nome do colega de dupla, nmero da bancada e a hora de incio das atividades.

Vamos medir a tenso em uma sada TTL em nveis H e L, e tambm em entradas em aberto em um CI 74LS32 (quad OR). Conforme mostra o datasheet do 74LS32 (em anexo), trata-se de um CI de 14 pinos, com 7 pinos de cada lado. Os pinos so numerados em sentido horrio, comeando no canto inferior esquerdo. A posio do pino 1 em geral marcada por um chanfro ou um ponto redondo sobre ele. Um 74LS32 j deve se encontrar no soquete A3 (linha A, coluna 3) do painel LSD (confira!). Detalhe: o soquete tem 16 pinos, enquanto que o CI tem 14 dois pinos do soquete vo sobrar! Alinhando-se o CI com a borda esquerda do soquete como mostra a Figura 1.15, os pinos de 1 a 7 do CI coincidem com os pinos de 1 a 7 do soquete. No entanto, os pinos 8 a 14 do CI (da direita para a esquerda) correspondem aos pinos de 10 a 16 do soquete. Por exemplo, para ligar o pino 11 do CI, deve-se usar o pino 13 do soquete! Confira.

16 15 14 13 12 11 10 9

1 2 3 4 5 6 7 8

Soquete CI

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

Figura 1.15 Componente de 14 pinos em soquete de 16 pinos.

Com a fonte desligada, conecte a sada fixa de 5 V da fonte de alimentao aos bornes de alimentao do painel (bornes preto e vermelho na lateral direita), usando cabos banana-banana. ATENO:

Use cabos de cores iguais aos bornes: preto para negativo e vermelho para positivo. Tome cuidado para no inverter a polaridade!

Ligue os pinos de alimentao do CI: ligue o pino 7 a 0 V e o pino 14 a VCC. ATENO:

Aperte as pontas dos cabinhos antes de conect-los para melhorar o contato.



Verifique se um cabinho no est rompido antes de us-lo. Segure pelos terminais e d um leve tranco. Teste com o multmetro a continuidade de cabinhos com suspeita de estarem abertos. Se precisar retirar o CI, tome cuidado para no entortar os pinos! Use uma tampa de caneta BIC ou as

duas pontas do multmetro para levantar as duas extremidades do CI por igual (consulte o professor). Ligue a fonte (boto verde) e o painel (chave na lateral direita). Mea com o multmetro (em modo DC) a tenso nos pinos EM ABERTO da quarta porta OR: ou seja, entradas nos pinos 13 e 12; sada no pino 11.

(Lembre-se: os resultados finais dos exerccios devem ser escritos caneta!)

Exerccio 1 Nesta situao, com o CI alimentado e as entradas em aberto, a sada da porta ficar em nvel lgico L ou H? Por que?

LEMBRE-SE: para medir a tenso em um pino, conecte a ponta preta do multmetro (COMUM) a um ponto de terra, que nesta atividade ser qualquer ponto ligado ao borne negativo da fonte.

Anotao 1b Desenhe a porta medida e numere os pino. Faa uma tabela com as tenses medidas nos pinos e o nvel lgico correspondente: L, H ou indefinido (quando no estiver nem entre 0 e 0,8 V e nem entre 2 e 5 V). O nvel lgico de sada (pino 11) compatvel com o esperado? Por que?

Desligue a fonte. Conecte agora o pino 13 de entrada em 0 V e mantenha a outra entrada (pino 12) em aberto. Ligue a fonte e mea novamente a tenso nos pinos 13, 12 e 11.

Exerccio 2 E com uma entrada em 0 V e a outra em aberto? Qual dever ser o nvel lgico presente na sada da porta? Por que?

A tenso no pino 12 (em aberto) no necessariamente ser igual medida antes, uma vez que a condio de alta impedncia deixe esse ponto susceptvel influncias diversas como rudo e interferncias, como se fosse uma antena. E os dois pinos fazem parte do mesmo circuito, a tenso imposta em um afeta a tenso no outro deixado em aberto.

Anotao 1c Faa uma tabela com as tenses medidas nos pinos e o nvel lgico correspondente: L, H ou indefinido. A tenso e o nvel lgico do pino em aberto (12) continuam os mesmos? Em termos lgicos, os nveis das entradas e da sada esto coerentes com o esperado, mesmo com uma entrada em aberto? Por qu?

Desligue a fonte. Desconecte o pino 13 de entrada. NO REMOVA o CI do soquete.

Anotao 1d Anote a hora atual. Mostre suas anotaes e concluses para o professor.

Atividade 2 Circuito de Si O smbolo da Figura 1.16 representa o circuito apenas da sada si do somador completo, descrito na parte I da apostila.

ai

bi

ci

si

Figura 1.16 Circuito gerador da sada si do somador completo

Exerccio 3 Faa o diagrama lgico (DL) completo do circuito de si usando um CI 74LS86. SIGA o exemplo da Figura 1.7: numere pinos e portas; identifique os componentes usados e os soquetes; inclua as chaves e o led especificados atividade, etc. Para numerar os pinos e as portas do CI, consulte o datasheet anexo. Cuidado ao desenhar as portas lgicas: a porta XOR tem entrada curva e sada pontuda!

Exerccio 4 Faa a tabela da verdade completa do circuito de si, determinando o valor da sada de cada porta para cada combinao possvel das entradas ai, bi e ci. SIGA o exemplo da Tabela 1.1. Ordene as linhas da tabela numericamente em binrio pelas combinaes dos trs bits de entrada (000, 001, 010, 011, etc) seguindo o exemplo da Figura 1.8. Por fim, verifique se si se comporta como esperado.

Vamos montar o circuito usando o 74LS86 (quad XOR), que j deve se encontrar no soquete A4 do painel LSD (confira!). As entradas ai, bi e ci devem ser ligadas s chaves C2, C1 e C0, respectivamente. Ligue a sada si ao led L0.



Anotao 2a Caso seu projeto tenha sido considerado satisfatrio pelo professor, NO necessrio refazer o esquema indique no relatrio qual projeto foi escolhido para ser montado. CASO CONTRRIO, faa o esquema corretamente no relatrio e neste caso faa o DL antes de comear a montar o circuito.

Monte o circuito no painel LSD. Comece conectando os pinos de VCC e GND (esquecimento freqente), com cabinhos curtos. Teste as oito configuraes de entrada. Observe o estado do led L0 (0 ou 1, no necessrio medir a tenso).

Anotao 2b Monte a tabela da verdade com os valores observados e compare com o previsto no pr-relatrio.

Aps terminar de testar, desligue a fonte. NO DESMONTE O CIRCUITO!

Anotao 2c Anote a hora atual. Mostre suas anotaes e concluses para o professor.

Atividade 3 Gerador de Vai-Um Vamos implementar a funo lgica ci+1 do somador binrio, utilizando apenas portas lgicas dos integrados 74LS08 e 74LS32. A funo est reproduzida abaixo para sua comodidade.

1 . . .i i i i i i ic a b a c b c+ = + + .

Podemos manipul-la para conseguir um circuito equivalente que utilize menos portas e ligaes, e portanto menos sujeito a falhas. Por exemplo, a funo Ci+1 pode ser reescrita como

1 ( . ).( )i i i i i ic a b c b c+ = + + . (1.16)

Exerccio 5 Usando a lgebra de Boole, mostre que as duas expresses anteriores so equivalentes.

Exerccio 6 Faa o diagrama lgico completo do circuito da expresso 1.16 usando apenas os CIs citados nesta atividade. S IGA o exemplo da Figura 1.7: numere pinos e portas; identifique os componentes usados e os soquetes; inclua as chaves e o led especificados atividade, etc. Para numerar os pinos e as portas do CI, consulte os datasheets anexos. Preste ateno para desenhar as portas corretamente.

Exerccio 7 Faa a tabela da verdade completa do circuito, determinando o valor da sada de cada porta (AND, OR) do circuito para cada combinao possvel das entradas ai, bi e ci. SIGA O EXEMPLO da Tabela 1.1. Por fim, verifique se a sada ci+1 corresponde funo esperada.

Vamos montar o circuito do gerador de vai-um. As entradas ai, bi e ci devem ser ligadas respectivamente s chaves C7, C6 e C5. A sada deve ser ligada o led L1. O 74LS08 j deve estar no soquete A2 (o 74LS32 est no soquete A2). No se esqueceu de ligar os pinos de VCC e GND, no?


Anotao 3b Monte a tabela da verdade com os valores observados (0 ou 1, no necessrio medir a tenso) e compare com o previsto no pr-relatrio.

Aps terminar de testar, desligue a fonte e NO DESMONTE O CIRCUITO!

Anotao 3c Anote a hora atual. Discuta suas anotaes e concluses para o professor.

Atividade 4 Somador Completo de Um Bit Vamos implementar o somador completo (introduzido na seo 1.9 ) a partir dos dois circuitos anteriores. As entradas ai, bi e ci devero ser ligadas s chaves C2, C1 e C0. Como as mesmas chaves vo servir de entrada para os dois circuitos anteriores (si e ci+1), vamos interligar as entradas dos circuitos por meio dos jumpers do painel. Os jumpers so conjuntos de trs pinos em curto-circuito que se encontram na base da placa de soquetes, numerados de 1 a 14 (veja a Figura 1.14). Nos seus diagramas, voc pode representar um jumper simplesmente por um ponto ou um crculo, j que se trata apenas de um ponto de contato. Por exemplo, conecte as entradas B0 (do circuito ZP) e ci (do circuito ci+1) a um jumper e em seguida conecte o jumper chave C0. Se voc no entendeu como usar os jumpers, consulte o professor. As sadas as sadas ci+1 e si devem ser ligadas aos leds L1 e L0.



Exerccio 8 Faa o diagrama do circuito somador. Indique as chaves, leds e jumpers (voc pode deixar para numerar os jumpers no laboratrio). Represente o circuito de forma hierrquica, conforme explicado junto Figura 1.11: represente os circuitos montados nas atividades anteriores por smbolos lgicos (como o smbolo de si da Figura 1.16); escreva os nomes dos sinais genricos do lado de dentro e nome dos sinais do projeto do lado de fora (que neste caso em particular, so os mesmos)

Anotao 4a Caso seu projeto tenha sido considerado satisfatrio pelo professor, NO NECESSRIO refazer o esquema indique no relatrio qual projeto foi escolhido para ser montado e complete-o com o nmero dos jumpers usados. CASO CONTRRIO, faa o esquema corretamente no relatrio e neste caso faa o DL antes de comear a montar o circuito.

Teste cada uma das oito possveis configuraes de entrada nas chaves, e verifique se o comportamento das sadas coerente com o esperado.

Anotao 4b Verifique se as sadas ci+1 e si do somador reproduzem os valores previstos para as oito possveis combinaes das entradas ai, bi e ci (no necessrio reproduzir a tabela).

Anotao 4c Anote a HORA ATUAL. Mostre o circuito funcionando para o professor.

Aps terminar de testar, desligue a fonte e NO DESMONTE O CIRCUITO!

Atividade 5 Somador Completo de Dois Bits Vamos construir um somador completo de dois bits, combinando o seu circuito com o de uma equipe vizinha. Ou seja, deseja-se fazer a soma binria de duas palavras de dois bits cada A[1:0] e B[1:0], mais um bit de carry-in C0, obtendo como resultado uma palavra de trs bits (S2S1S0). Esquematicamente, o circuito desejado mostrado na Figura 1.17.

A1 A0 C0

S2

B1 B0

S1 S0

C0 A1 A0 B1 B0 S2 S1 S0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 ... ... 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 ... ... 1 1 1 1 1 1 1 1

Figura 1.17 Somador completo de dois bits

Exerccio 9 Faa o diagrama lgico do somador completo de dois bits, mostrando a conexo entre os dois circuitos, entradas e sadas. Represente o circuito de forma hierrquica: os somadores de um bit devem representados como smbolos lgicos (caixas pretas), seguindo o modelo da Figura 1.18.

Basicamente, o seu trabalho interligar os dois somadores (cada um composto por dois circuitos), identificar em que chaves ligar as entradas A[1:0], B[1:0] e C0 e identificar em que leds ligar as sadas S[2:0].

ai bi ci

ci+1 si

Painel 0

ai bi ci

ci+1 si

Painel 1

C2 C1 C0

L0 L1

C2 C1 C0

L0 L1

Figura 1.18 Exemplo de diagrama com smbolos lgicos genricos




Monte e teste o circuito do somador completo de dois bits, usando sua placa e a de outra equipe. Ao interligar as placas, no mexa nos sinais internos: mude apenas os cabinhos de entrada e sada na prtica, isto o conceito de caixa-preta. Caso o circuito final no funcione, separe os dois circuitos e cada equipe deve testar o seu novamente. Cada um no seu quadrado. Use apenas uma fonte de tenso, e interconecte as trilhas de VCC e GND dos dois painis. Dica: na falta de cabinhos bem longos para levar sinais de um painel para outro, use os jumpers ou pares de pinos de soquetes vazios para conectar cabinhos menores.

Anotao 5b Anote os nomes dos membros da outra equipe.

Anotao 5c Faa uma tabela com o valor das sadas S2S1S0 observadas para as seguintes de combinaes das cinco entradas do circuito (A1A0, B1B0 e C0). i. A1A0 = 10, B1B0 = 01 e C0 = 0 ii. A1A0 = 10, B1B0 = 01 e C0 = 1 iii. A1A0 = 01, B1B0 = 11 e C0 = 0 iv. A1A0 = 01, B1B0 = 11 e C0 = 1 v. A1A0 = 11, B1B0 = 11 e C0 = 0 vi. A1A0 = 11, B1B0 = 11 e C0 = 1

Anotao 5d Anote a hora atual. Mostre o circuito funcionando para o professor.

Atividade 6 Finalizao Se voc pegou um CI pifado, NO DEVOLVA caixinha. Entregue-o ao professor. Deixe os CIs dos soquetes NO OS RETIRE mesmo quando terminar. Deixe a bancada em ordem. Falhas nesse procedimento sero penalizadas.

Anotao 6a Check list Verifique e anote no relatrio cada um dos itens abaixo. ESCREVA os nome dos itens e no apenas uma seqncia de meros sim e no.

i. Equipamentos Liste os equipamentos usados e verifique se esto desligados. ii. Multmetro Os cabos das pontas de prova do multmetro esto arrumados? Deixe o multmetro no

tampo inferior da bancada, para que possamos conferir facilmente se est desligado. iii. Osciloscpio Os cabos das pontas de prova do osciloscpio esto arrumados? iv. Cabinhos H cabinhos cados no cho ou na bancada? v. Caixa de Cabinhos A caixa de cabinhos est completa? vi. Cabos Os cabos foram recolocados nos lugares de origem? vii. Emprstimos Usou alguma coisa de outra bancada? O qu? Foi devolvido? viii. Defeitos Encontrou algum defeito? Preencheu a Comunicao de Defeito? ix. Limpeza A bancada est limpa?

Entregue o pr-relatrio juntamente com o relatrio da experincia. Equipamentos com defeito devem ser deixados na prpria bancada. Cabos, cabinhos e outros acessrios com defeito devem ser entregues ao professor, juntamente com a Comunicao de Defeito.

2000 Fairchild Semiconductor Corporation DS006345 www.fairchildsemi.com

August 1986Revised March 2000

DM

74LS04 Hex Inverting Gates

DM74LS04Hex Inverting GatesGeneral DescriptionThis device contains six independent gates each of whichperforms the logic INVERT function.

Ordering Code:

Devices also available in Tape and Reel. Specify by appending the suffix letter X to the ordering code.

Connection Diagram Function TableY = A

H = HIGH Logic LevelL = LOW Logic Level

Order Number Package Number Package DescriptionDM74LS04M M14A 14-Lead Small Outline Integrated Circuit (SOIC), JEDEC MS-120, 0.150 NarrowDM74LS04SJ M14D 14-Lead Small Outline Package (SOP), EIAJ TYPE II, 5.3mm WideDM74LS04N N14A 14-Lead Plastic Dual-In-Line Package (PDIP), JEDEC MS-001, 0.300 Wide

Input OutputA YL HH L



DM

74LS08 Quad 2-Input AND Gates

DM74LS08Quad 2-Input AND GatesGeneral DescriptionThis device contains four independent gates each of whichperforms the logic AND function.

Ordering Code:


Connection Diagram Function TableY = AB



Inputs OutputA B YL L LL H LH L LH H H

5 www.fairchildsemi.com

DM

74LS08 Quad 2-Input AND Gates

Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)

14-Lead Plastic Dual-In-Line Package (PDIP), JEDEC MS-001, 0.300 WidePackage Number N14A

Fairchild does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied andFairchild reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.LIFE SUPPORT POLICY

FAIRCHILDS PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORTDEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT OF FAIRCHILDSEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein:1. Life support devices or systems are devices or systems

which, (a) are intended for surgical implant into thebody, or (b) support or sustain life, and (c) whose failureto perform when properly used in accordance withinstructions for use provided in the labeling, can be rea-sonably expected to result in a significant injury to theuser.

2. A critical component in any component of a life supportdevice or system whose failure to perform can be rea-sonably expected to cause the failure of the life supportdevice or system, or to affect its safety or effectiveness.

www.fairchildsemi.com


June 1986Revised March 2000

DM

74LS32 Quad 2-Input OR G

ate

DM74LS32Quad 2-Input OR GateGeneral DescriptionThis device contains four independent gates each of whichperforms the logic OR function.

Ordering Code:


Connection Diagram Function TableY = A + B



Inputs OutputA B YL L LL H HH L HH H H



DM

74LS86 Quad 2-Input Exclusive-O

R Gate

DM74LS86Quad 2-Input Exclusive-OR GateGeneral DescriptionThis device contains four independent gates each of whichperforms the logic exclusive-OR function.

Ordering Code:


Connection Diagram Function TableY = A B = A B + AB



Inputs OutputA B YL L LL H HH L HH H L

Date post:	04-Mar-2016
Category:	Documents
Upload:	markus-kalousdian
View:	228 times
Download:	0 times

2433_15Exp1

Documents