Lógica Programável - Relatório de Atividade Prática

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ATIVIDADE PRÁTICA – CIRCUITO LÓGICO EM VHDL 
 
Centro Universitário UNINTER 
Curso de Engenharia Elétrica 
Fabricio Silveira Dias 
Mariano André Anderson 
E-mail: diasfabricio1981@gmail.com – RU 1702755 
E-mail: mariano.andre@gmail.com – RU 970810 
 
 
Resumo: Estudo realizado para otimizar a compreensão dos conceitos estudados na 
disciplina de Lógica Programável. O experimento abarca a montagem de um circuito 
lógico com circuitos integrados discretos e a reprodução do mesmo circuito em uma 
plataforma para desenvolvimento de circuitos lógicos com tecnologia FPGA, em 
linguagem VHDL, através do software computacional Quartus II. 
 
Palavras chave: Lógica Programável, Circuitos Lógicos, FPGA, VHDL. 
1. INTRODUÇÃO 
Conhecer e entender o funcionamento de circuitos lógicos combinacionais é 
essencial para que seja possível implementar estes circuitos em dispositivos FPGA1. 
Os dispositivos lógicos programáveis permitem sintetizar circuitos digitais, desde os 
mais simples aos mais complexos. Neste relatório são apresentados os resultados de 
um experimento prático realizado através da montagem de um circuito lógico em 
protoboard e posteriormente implementado e reproduzido em uma plataforma para 
desenvolvimento de dispositivos FPGA, utilizando linguagem de programação VHDL2. 
Neste relatório o circuito estudado é representado por meio de desenho 
esquemático e fotos da montagem em protoboard. Também é apresentada a 
expressão lógica e a tabela verdade do circuito que serviu de base para montagem e 
para escrita do código que reproduz no dispositivo FPGA o mesmo resultado da 
montagem. Tais procedimentos reforçam o entendimento dos conceitos estudados na 
disciplina de Lógica Programável. 
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 
Para esta atividade prática foram propostas quatro opções de circuitos para 
estudo, ficando a cargo do aluno a escolha do circuito a ser estudado. O experimento 
consiste em realizar a montagem do circuito em protoboard, com circuitos integrados 
discretos, e no kit FPGA, através da programação em linguagem VHDL no software 
de desenvolvimento Quartus II. 
 
1 FPGA: Field Programmable Gate Array; circuito integrado programável no qual podem ser implementados circuitos lógicos 
combinacionais de grande complexidade. 
2 VHDL: VHSIC Hardware Description Language; linguagem para descrição de hardware utilizada para desenvolvimento de 
circuitos com FPGA. 
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O circuito escolhido é apresentado no item 2.1 por meio do diagrama 
esquemático, da expressão lógica e pela tabela verdade do circuito. No item 2.2 é 
apresentada a montagem em protoboard e no item 2.3 a montagem no kit FPGA. 
2.1. Circuito estudado 
O circuito lógico a ser estudado nesta atividade prática é ilustrado na figura 1. 
O circuito foi desenhado no software Multisim, que permite a simulação dos sinais que 
facilita a compreensão dos conceitos relacionados. 
 
Figura 1 - Diagrama esquemático do circuito lógico. 
As chaves que conectam as entradas A, B e C à tensão de alimentação, bem 
como os resistores R1, R2 e R3 possuem a função de determinar os níveis dos sinais 
de entrada e o sinal de saída é indicado pelo LED1. O resistor R4 tem a função de 
limitar a corrente do LED3. 
A expressão matemática do circuito lógico é dada por: 
S = (A AND B) 𝐎𝐑 (A AND C) 𝐎𝐑 (B AND C) 
A tabela verdade permite visualizar o estado da saída S que é determinada 
pelas entradas A, B e C do circuito. 
Tabela 1 - Tabela verdade. 
A B C S 
0 0 0 0 
0 0 1 0 
0 1 0 0 
0 1 1 1 
1 0 0 0 
1 0 1 1 
1 1 0 1 
1 1 1 1 
 
3 LED: Light Emitting Diode; componente eletrônico capaz de emitir luz quando energizado. 
3 
 
Para comprovar os estados da saída S foi acrescentado ao circuito um Gerador 
de Palavras4 que simula os sinais de entrada e um analisador lógico para medir os 
níveis dos sinais de entrada e saída, simultaneamente. Assim é possível verificar e 
comprovar os estados da tabela 1. 
 
Figura 2 - Simulando os sinais para verificação da tabela verdade. 
 
 
Figura 3 - Sinais gerados e medidos no ambiente de simulação. 
2.2. Montagem em protoboard 
A montagem em protoboard proporciona um contato direto como circuito, 
possibilita realizar medições com instrumentos e componentes reais. Com base no 
diagrama da figura 1 o circuito foi montado e é ilustrado na imagem seguinte: 
 
4 Gerador de Palavras: Instrumento virtual disponível no Multisim que gera um conjunto de 8 ou 16 bits para simulação de 
sinais. 
4 
 
 
Figura 4 - Montagem do circuito em protoboard. 
 
 
Figura 5 - Detalhe do circuito montado. 
 
Após a montagem foram realizados testes para verificar o comportamento do 
circuito e confirmar os estados descritos na tabela verdade. Para facilitar a verificação 
foi utilizado um circuito auxiliar, um kit de desenvolvimento com microcontrolador PIC5, 
no qual foi implementado um gerador de palavras de 8 bits para que fosse possível 
realizar o mesmo teste realizado no simulador. 
A figura 6 ilustra o circuito auxiliar, que tem a finalidade de gerar a sequência 
estabelecida na tabela 1, conectado ao circuito do protoboard e ao analisador lógico 
que permite registrar os sinais de entrada e saída do circuito, simultaneamente. Os 
sinais registrados no analisador podem ser verificados através da figura 7. 
 
5 PIC: Programmable Interface Controller; Circuito integrado controlador de interface programável fabricado pela Microchip. 
5 
 
 
Figura 6 - Medição de sinais com analisador lógico. 
 
 
Figura 7 - Sinais registrados no analisador. 
 
2.3. Montagem no kit FPGA 
Para realizar a montagem do circuito lógico no kit FPGA foi utilizado o software 
Quartus II onde é implementado o código VHDL que corresponde ao circuito montado 
em protoboard. O software permitiu a simulação dos sinais de entrada, de saída e a 
execução da expressão lógica. 
O código VHDL é apresentado na figura 8, onde podem ser observadas as 
linhas de programação com comentários que facilitam o entendimento do código. 
 
Figura 8 - Código VHDL do circuito estudado. 
 
Após concluir a programação do código foi realizada a simulação do mesmo 
para verificar se o resultado estava de acordo com os resultados obtidos na simulação 
com o software Multisim. A simulação do código VHDL é ilustrada na figura 9. 
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Figura 9 - Simulação da expressão lógica escrita em VHDL. 
 
Com o auxílio da ferramenta Pin Planer, no Quartus II, foram associados os 
pinos utilizados para montagem prática do circuito no kit FPGA, como ilustra a figura 
10. 
 
Figura 10 - Associação de entradas e saídas da expressão aos pinos físicos do kit FPGA. 
 
A montagem do kit FPGA com auxílio do protoboard é ilustrada na figura 11, na 
qual é possível observar as chaves que determinam os níveis das entradas A, B e C, 
pinos 74, 75 e 73 respectivamente. A saída S foi associada ao pino 98 do kit, o qual 
possui um LED de uso geral. 
Neste ensaio não foi utilizado o kit de PIC para auxiliar na geração dos sinais 
de entrada porque os níveis de tensão dos kits são diferentes entre si. Ainda que sejam 
diferentes, poderíamos ter implementado uma interface que permitiria a interconexão 
dos kits através de optoacopladores, no entanto, isto não está no escopo desta 
atividade prática. 
A figura 12 ilustra os sinais das entradas e saída registrados com analisador e 
medidos no kit FPGA. Nota-se uma variação nas larguras dos sinais, decorrentes da 
variação do tempo em que as chaves de entrada são acionadas. 
 
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Figura 11 - Montagem do circuito lógico em kit FPGA. 
 
 
Figura 12 - Sinais medidos no kit FPGA e registrados no analisador lógico. 
 
3. CONCLUSÃO 
 A falta de familiaridade com o software Quartus II e com o kit de 
desenvolvimento com tecnologia FPGA foi a única dificuldade encontrada e exigiu um 
estudo mais aprofundado dos materiais disponibilizados nas aulas teóricas e práticas 
da disciplina. 
O estudo permitiu relacionar os conceitos teóricos aos experimentos práticos,onde foi possível comprovar os mesmos resultados que demonstram grande 
confiabilidade e eficiência dos ambientes de programação que permitem a simulação 
de circuitos lógicos digitais. A simulação dos circuitos em ambiente computacional 
oferece grande facilidade na implementação e testes de circuitos lógicos, simples e 
complexos. 
A realização desta atividade prática foi de extrema importância para otimizar a 
compreensão dos conceitos estudados acerca da utilização e programação de 
circuitos FPGA para resolução de problemas que envolvem circuitos lógicos 
combinacionais e não visa esgotar o assunto, pelo contrário, é indispensável 
aprofundar os estudos relacionados à linguagem VHDL e programação de circuitos 
FPGA frente a tendência ao uso destas tecnologias em equipamentos eletrônicos. 
 
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4. REFERÊNCIAS 
CICHACZEWSKI, Ederson. Lógica Programável. Curitiba: Uninter, 2020. Material de 
aula. 
D’AMORE, Roberto. VHDL: descrição e síntese de circuitos digitais – 2.ed. Rio de 
Janeiro: LTC, 2012. 
TOCCI, Ronald J. Sistemas digitais: princípios e aplicações – 11.ed. São Paulo: 
Pearson Prentice Hall, 2011. 
TEXAS INSTRUMENTS. Digital Logic: pocket data book. Texas: Texas Instruments 
Incorporated, 2007.