Laboratório de Circuitos Lógicos

1.Regras gerais para realização e entrega dosexperimentos propostos:

Todos os experimentos realizados no laboratório deverão serdescritos em um relatório. As seguintes regras devem serobservadas tanto para realização de experimentos quanto paraentrega de relatórios:

- Os experimentos deverão ser realizados em duplas.

- Só poderá entregar o relatório do experimento o(s) aluno(s)que tiver assistido à respectiva aula de laboratório.

- O relatório do experimento deve ser entregue impresso, naaula seguinte à realização , não podendo ser entregue emoutra data.

1.1 Formato dos relatórios dos experimentos

A capa do relatório deve conter:

- O número e título do experimento.

- A data de realização do experimento.

- O nome e RA do grupo que realizou o experimento. Valelembrar que só poderá entregar o relatório do experimento osalunos que estiverem presentes na aula de laboratório da datade realização.

O relatório deve conter:

- Uma introdução teórica sobre o assunto em questão

- Tudo que for especificado na seção Instruções pararealização do experimento e conteúdo do relatório em cada umdos experimentos.

- Dificuldades encontradas, se necessário (opcional).

2.Experimento 1: Reconhecimento da bancada detrabalho

2.1 Objetivo Geral

Reconhecimento da bancada de trabalho, com testes defuncionamento da protoboard, leds, resistores.

2.2 Materiais

- protoboard

- 1 Resistor 1 KΩ

- 2 push buttons

- 1 led

- fonte de tensão

2.3 Introdução teórica

Os experimentos iniciais desta disciplina utilizarão a protoboard, também conhecida como matriz de contatos, como placa didática para montagem de circuitos.

A protoboard é muito utilizada para simulação e testes decircuitos digitais, uma vez que permite a montagem decircuitos, sem a necessidade de solda de componentes,permitindo a montagem provisória e testes preliminares. Éconstituída por uma base plástica, contendo pontos destinadosà conexão de componentes eletrônicos. Internamente, estespontos são interconectados, de forma que não seja necessáriaa utilização de solda. Desta forma, a grande vantagem é apossibilidade de testes e alterações do circuito, além dareutilização dos componentes para novas montagens.

A Figura 1 apresenta a placa que será utilizada nosexperimentos no laboratório.

Figura 1: Protoboard

A Figura 2 apresenta a matriz de pontos de uma protoboard:

Figura 2: Matriz de pontos da protoboard

Para que a protoboard possa ser utilizada, é necessárioconectá-la a uma fonte de energia. Para isso, os bornes dealimentação deverão ser conectados a uma fonte. Após conectaros bornes, é necessário utilizar fios para fazer a conexãoelétrica dos barramentos de alimentação, destacados na Figura2 (linhas e colunas com marcas em azul e vermelho). Énecessário ligar com fios os bornes de alimentação aosbarramentos (indicadas na figura pelas cores vermelha eazul).

A Figura 3 apresenta um exemplo de uma protoboard comalimentação. Os bornes são ligados a uma fonte de energia(positiva e negativa), e a partir dos bornes, os barramentosde alimentação (linhas superiores) são ligados com fios.

Figura 3: Exemplo de protoboard com alimentação

A área de trabalho da placa destacada na Figura 2 é o localonde os circuitos podem ser montados. Ela é dividida em duaspartes, separadas por uma canaleta. Esta canaleta isolaeletricamente as linhas da área de trabalho.

A Figura 4 apresenta a divisão da protoboard em termos deisolamento elétrico. As colunas circuladas em C e Drepresentam colunas cujos orifícios são eletricamente ligados(normalmente utilizados como barramentos de alimentação).

As linhas circuladas em A e B representam linhas cujosorifícios são eletricamente ligados. A canaleta entre aslinhas representa o isolamento elétrico entre elas.

Figura 4: Divisão elétrica da protoboard

Neste experimento, os circuitos montados utilizarão pushbuttons, leds e resistores. É importante tomar certos cuidados nautilização destes componentes na área de trabalho:

- Antes de se iniciar a montagem de circuitos, ou de setrocar componentes na protoboard é importante que suaalimentação seja desconectada.

- A ligação dos terminais de um componente sempre deve estarisolada eletricamente, ou seja, em linhas diferentes na área

de trabalho da protoboard. Caso contrário, a conexão estará emcurto, e o circuito não funcionará corretamente.

- Os leds possuem dois terminais de contato, sendo que oterminal mais longo (anodo) deve obrigatoriamente ser ligadoa um pólo positivo, e o terminal mais curto (catodo) deve serligado a um pólo negativo.

- os push buttons funcionam como chaves que permitem a passagemde corrente quando pressionados. É importante que cada um deseus terminais estejam conectados a orifícios isoladoseletricamente na protoboard.

- Para conectar dois componentes na protoboard, é necessárioque um dos terminais de cada componente esteja conectado namesma linha. Como os orifícios de uma linha são eletricamenteligados, conectar um terminal de dois componentes diferentesem uma mesma linha realiza a conexão dos mesmos.

2.4 Instruções para realização do experimento

Este experimento está dividido em 3 atividades:

Atividade 1: Testando acender e apagar um led:

Montar um circuito para acender/apagar o led utilizando umpush button , resistor e led.

Atividade 2: Ligação em série

Montar um circuito para controle de um led com dois push buttonsligados em série, ou seja, apenas quando ambos os botõesestiverem pressionados simultaneamente, o led deverá seacender.

Atividade 3: Ligação em paralelo

Montar um circuito para controle de um led com dois push buttonsligados em paralelo, ou seja, apenas quando qualquer um dosbotões estiver pressionado, o led deverá se acender.

2.5 Conteúdo do Relatório

Para cada um dos circuitos requisitados na sessão 2.4, orelatório deve conter uma foto da montagem do protoboard, e umaexplicação sucinta sobre os elementos e conexões realizadasem cada um dos circuitos.

3.Experimento 2: Circuitos combinacionaisusando CI’s

3.1 Objetivo Geral

Apresentar o funcionamento de circuitos integrados paraportas lógicas AND, OR, NOT, e a montagem de circuitoscombinacionais utilizando Circuitos integrados (CI’s).

3.2 Materiais

- 1 CI 7408 (Portas AND))

- 1 CI 74LS32 (Portas OR)

- 1 CI 7404 (Portas NOT)

- fios

- protoboard

- 1 led

- fonte de tensão

3.3 Introdução Teórica

Circuitos integrados são compostos internamente por diodos,transistores, resistores, e outros elementos fabricados emuma única peça de material semicondutor (silício), chamadachip. Os circuitos integrados implementam internamentefunções lógicas.

A lógica de um circuito integrado pode ser complexa como umaplaca arduíno ou muito simples, como um conjunto de portaslógicas NOT.

O chip é empacotado em uma embalagem de plástico ou cerâmica,juntamente com pinos de entrada e saída de sinais, de formaque possa ser ligado a outros componentes em um circuito. AFigura 5 apresenta uma visão interna de um empacotamento.

Figura 5: Empacotamento DIP

O empacotamento da Figura 5 é chamado de DIP (Dual-in-linePackage), devido a forma como os pinos são dispostos, em duasfileiras paralelas. Os CIs podem possuem um chanfro,indicando onde está posicionado o pino 1.

Os pinos são numerados em sentido antihorário, a partir dochanfro, conforme apresentado na Figura 6 .

Figura 6: Numeração de pinos em empacotamento DIP

Neste experimento serão utilizados circuitos integrados dafamília TTL (Transistor-Transistor Logic), que são produzidos pordiversos fabricantes (originalmente criado pela TexasInstruments). Circuitos desta família podem ser de duasséries diferentes: série militar, cujos componentes começamcom a numeração 54, e a série comercial, cujos componentescomeçam com a numeração 74.

Na família TTL 74, os transistores que implementaminternamente os circuitos são alimentados por uma fonte detensão de 5V, sendo este o nível lógico 1.

Chanfro

Os CI’s possuem um pino para alimentação, que deve serligado a uma fonte de tensão, e outro pino para ligação comTerra (Gnd).

Quando inserimos um CI em uma protoboard, é importante observaro local onde ele será inserido, para que seus pinos nãofiquem em curto. A forma correta de ligação está apresentadana Figura 7. Como mostrado, cada um dos pinos do CI estáisolado eletricamente.

Figura 7: Circuito inserido na protoboard

É importante observar que para que o CI funcionecorretamente, deverá ter suas conexões Vcc alimentada comtensão de 5 V e Gnd ligada ao Terra.

Serão utilizados neste experimento os seguintes CI´s:

- 7408

Este CI fornece um conjunto de 4 portas lógicas AND, cada umacom duas entradas e uma saída. A Figura 8 mostra a omapeamento dos pinos deste CI. O pino 7 deve ser ligado aoTerra, e o pino 8 à fonte de tensão.

Figura 8: Mapeamento do CI 7408 - Portas lógicas AND

A Figura 9 mostra a representação gráfica de uma porta lógicaAND de duas entradas (A e B) e uma saída (Y), com o resultado da operação E lógico sobre as duas entradas.

Figura 9: Representação gráfica da porta AND

A porta lógica AND realiza a operação de “E” lógico sobre asentradas: Y = A.B

A tabela verdade desta porta lógica é:

A B Y0 0 00 1 01 0 01 1 1

- 74LS32

Este CI fornece um conjunto de 4 portas lógicas OR, cada umacom duas entradas e uma saída. A Figura 10Figura 8 mostra a omapeamento dos pinos deste CI. O pino 7 deve ser ligado aoTerra, e o pino 8 à fonte de tensão.

Figura 10: Mapeamento do CI 74LS32 - Portas lógicas OR

A Figura 9Figura 11 mostra a representação gráfica de uma porta lógica OR de duas entradas (A e B) e uma saída (Y), com o resultado da operação OU lógico entre as entradas.

Figura 11: Representação gráfica da porta OR

A porta lógica OR realiza a operação de “OU” lógico sobre asentradas: Y = A+B

A tabela verdade desta porta lógica é :

A B Y0 0 00 1 11 0 11 1 1

- 7404

Este CI fornece um conjunto de 6 portas lógicas NOT, cada umacom uma entrada e uma saída (apenas lembrando que as portasNOT possuem apenas uma entrada). A Figura 12Figura 10Figura 8mostra a o mapeamento dos pinos deste CI. O pino 7 deve serligado ao Terra, e o pino 8 à fonte de tensão.

Figura 12: Mapeamento do CI 7404 - Portas lógicas NOT

A Figura 13 mostra a representação gráfica de uma porta lógica OR de uma entrada (A) e uma saída (Y), com o resultado da operação “NÃO” lógico da entrada

Figura 13: Representação gráfica da porta lógica NOT

A porta lógica NOT realiza a operação de negação para umaentrada: Y = A

A tabela verdade desta porta lógica é:

A Y0 11 0

Todas as bancadas do laboratório possuem data sheets cominformações sobre cada um dos CI’s utilizados.

3.4 Instruções para realização do experimento

Este experimento está dividido em 2 atividades:

Atividade 1: Testando o funcionamento dos circuitosintegrados:

Utilizando os circuitos integrados 7408 (porta lógicas AND),74LS32 (portas lógicas OR) e 7404(portas lógicas NOT), façatestes das tabelas verdades com duas entradas.

Não se esqueça de testar se todas as portas dos CI’s estãofuncionando corretamente.

Como podemos utilizar os circuitos integrados 7408 e 74LS32de duas entradas para realizar as funções lógicas AND e OR de3 entradas?

Atividade 2: Testando o teorema de De Morgan:

Montar um circuito para provar o teorema de De Morgan,utilizando os CI’s:

x . y = x + y

Para provar o teorema, monte um circuito para cada lado daigualdade e verifique as tabelas verdade para cada parte daequação.

3.5 Conteúdo do Relatório

O relatório deve conter para cada uma das atividades doexperimento, a expressão algébrica implementada, e como sechegou nesta expressão, além de uma foto de cada circuitomontado.

4.Experimento 3: Circuitos combinacionais

4.1 Objetivo Geral

O objetivo deste experimento é realizar a montagem decircuitos combinacionais no protoboard.

4.2 Materiais

- 1 CI 7408

- 1 CI 74LS32

- 1 CI 7404

- fios

- protoboard

- led

- fonte de tensão

4.3 Introdução Teórica

Este experimento utilizará continuará utilizando os circuitosintegrados da família 74. As tarefas deste experimentorequerem o conhecimento de manipulações algébricas estudadosnas aulas teóricas para a resolução de problemas.

4.4 Instruções para realização do experimento

Este experimento está dividido em 3 atividades:

Atividade 1: Circuito de controle de luz por duas chaves

Assumir uma sala com 2 portas e perto de cada porta uminterruptor de luz. Queremos projetar um circuito quecontrole a iluminação da sala de tal maneira que possamos

acender ou apagar a lâmpada pela mudança de qualquerinterruptor.

Atividade 2: Montagem de um circuito Multiplexador:

Utilizando os circuitos integrados, monte um circuito quesimule um multiplexador.

Multiplexador é um circuito que permite com que sejaescolhida, dentre várias entradas, apenas uma. Este circuitoé composto por duas entradas (x1 e x2) e um sinal de controle(S).

Se S = 0 -> f = x1

Se S = 1 -> f = x2.

Atividade 3: Síntese de circuitos

Utilize manipulação algébrica para realizar a síntese daseguinte expressão:

f = x1x3 + x1x2 + x1 x2 x3 + x1 x2 x3

Monte no protoboard o circuito correspondente à síntese obtida.

Verifique a tabela verdade para este circuito.

4.5 Conteúdo do Relatório

O relatório deve conter para cada uma das atividades doexperimento, a expressão algébrica implementada, e como sechegou nesta expressão, além de uma foto de cada circuitomontado.

5.Experimento 4: Transistores

5.1 Objetivo Geral

Este experimento tem como objetivo a construção de portaslógicas a partir de transistores NMOS e PMOS.

5.2 Materiais

- 2 transistores NPN - (NMOS) – BC 548

- 2 transistores PNP - (PMOS) – BC 558

- 6 resistores de 1 K Ω

- 2 leds

5.3 Introdução Teórica

Circuitos lógicos são implementados via transistores, que operam como chaves. O objetivo deste experimento é proporcionar ao aluno a oportunidade de construir diversas portas lógicas através de transistores,

Os transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)podem ser encontrados em dois tipos: NMOS e PMOS.

Os transistores NMOS possuem a seguinte representação gráfica:

Onde:

Vg = Tensão do Gate

Vs = Tensão de Source

V D V S

(c) Símbolo simplificado de um transistor NMOS

V G

Vd = Tensão de drain

O Gate recebe uma tensão que permite a conexão entre drain e source (transistor é dito desligado) . Se Vg é baixo, não há conexão entre drain e source. Se Vg é alta, há conexão entre drain e source (transistor é dito ligado).

A figura abaixo apresenta a representação gráfica de um transistor PMOS:

O comportamento de um transistor PMOS é oposto ao NMOS emrelação à tensão recebida em Vg. Se Vg é alta, não se fazconexão entre Vd e Vs, e o transistor é dito desligado. Se Vgé baixa, existe conexão entre Vd e Vs e o transistor é ditoligado.

Na década de 80, começaram a ser utilizados circuitosconstruídos a partir da combinação entre PMOS e NMOS chamadosCMOS

Para a construção de portas lógicas utilizando transistoresdo tipo NMOS serão utilizados neste experimento ostransistores BC548 (NPN. Para a construção de portas lógicasutilizando transistores do tipo CMOS serão utilizados tantostransistores NPN BC 548 quanto transistores PMOS BC 558(PNP), ambos apresentados na Figura 14

V G

V D V S

(c) Símbolo simplificado de um transistor PMOS

Figura 14: Transistor NPN - BC 548 e PNP – BC 548

O mapeamento das conexões gate, source e drain para ambos os transistores BC548 e BC558 é:

Vd: collecter: ligado a Vcc

Vg: Base: chaveamento do transistor

Vs: emitter: ligado ao Gnd

Deve-se observar o lado “chato” do transistor para identificar cada um de seus conectores.

5.4 Instruções para realização do experimento

Este experimento está dividido em 4 atividades:

Atividade 1: Teste de um transistor NMOS

Construa um circuito para controlar o acendimento de um led utilizando como chave um transistor NMOS.

Atividade 2: Montagem da porta NOT

Utilizando apenas transistores NMOS, construir a porta NOT.

Atividade 3: Montagem da porta NAND

Utilizando apenas transistores NMOS, construir a porta NAND

Atividade 4: Montagem da porta AND

Utilizando apenas transistores NMOS construir a porta AND.

Atividade 5: Montagem de uma porta NAND com transistores CMOS

Utilizando transistores NMOS e PMOS, construir a porta NAND.

5.5 Conteúdo do Relatório

O relatório deve conter para cada uma das atividades doexperimento, uma foto de cada circuito montado, bem como atabela verdade para cada um dos transistores utilizados,explicando de que forma a utilização destes transistoresimplementa a porta lógica da atividade.