apostila_labsd1_full_20142

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Laboratório de
Sistemas Digitais I
Apostila 2014.2
Professores
Fabiano Araújo Soares
José Felício da Silva
Marcus Chaffim
Renato Lopes
UnB - FGA
Agosto de 2014
Conteúdo
I Apresentação e Regras Gerais 5
1 Uso do Laboratório e Normas de Documentação 7
1.1 Considerações Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Normas para Elaboração de Pré-relatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Normas para Elaboração de Relatórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Regras de Uso do Laboratório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Familiarização com a Bancada 15
2.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Parte Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Equipamentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Material para Montagem de Circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Chaves (ou switches) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
II Experimentos 23
1 Caracterização de Portas Lógicas 25
1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2 Portas Lógicas e Circuitos Integrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Circuitos Lógicos Combinacionais 45
2.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2 Circuitos Lógicos Combinacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3 Circuitos Somadores e Subtratores 55
3.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Circuitos Aritméticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4 Circuitos Codificadores e Decodificadores 63
1
4.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2 Circuitos conversores de códigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 Circuitos Multiplexadores e Demultiplexadores 69
5.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Circuitos Multiplexadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6 Flip-Flops 77
6.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2 Circuitos Lógicos Seqüenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7 Circuitos Contadores Síncronos e Assíncronos 83
7.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.2 Circuitos Contadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
7.3 Pré-Relatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4 Roteiro Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
IIIProjetos Finais 91
I Regras Gerais 93
I.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
I.2 Sobre os Temas de Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
I.3 Documentos Esperados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
1 ULA 97
1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1.3 Exemplos de Funcionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
1.4 Desafios Adicionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 109
5.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 117
7.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2 Projeto Básico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.3 Desafio Adicional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
A
M
B
I
E
N
T
A
Ç
Ã
O
1
USO DO LABORATÓRIO E NORMAS
DE DOCUMENTAÇÃO
1.1 Considerações Gerais
O laboratório é um complemento essencial das aulas teóricas. Assim, os experimen-
tos 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 du-
rante 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 alu-
nos 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 apresentaro 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
1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO
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 ativida-
des.
Sem horário agendado o aluno não poderá utilizar as dependências
do laboratório
A dupla terá à disposição todo material necessário para a realização dos experimen-
tos, 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 habili-
dades 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 exe-
cução do experimento. Em geral, no pré-relatório o aluno deverá realizar simu-
lações 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 co-
nexão;
4. Diagramas esquemáticos dos circuitos simulados, seguindo as mesmas nor-
mas 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 respecti-
vas 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 ob-
ter 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 cone-
xões 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 equipa-
mento. Como a mesma se encontrava em 30 V e já estava conectada
à protoboard, isto causou a queima de todos os CIs.
9
1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO
– 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 sem-
pre 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 protobo-
ard, o circuito passou a funcionar corretamente.”
• Resultados obtidos: fazer uma descrição detalhada dos resultados en-
contrados 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 conheci-
mentos adquiridos na prática e fazer a interrelação com os fundamentos teó-
ricos.
7. Conclusões, mostrando os êxitos e eventuais problemas encontrados na rea-
lização do experimento, indicando as limitações, apresentando recomendações
e/ou sugestões.
8. Referências Bibliográficas, relacionadas e citadas de acordo com as nor-
mas 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 des-
critivo 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 pági-
nas 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 dia-
grama 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 componen-
tes, como mostrado na Figura 1.2.
74LS00 - Posição A1
De pino Para
... ...
P03 B2.74LS04.P01
... ...
P07 GND
... ...
P14 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 es-
quemáticos:
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1. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO
74LS00
74LS00
74LS00
74LS00
74LS32
74LS04
74LS32
74LS86
74LS86
LED 1
LED 2
LED 3
LED 4
PULSO
R1 = 100KΩ
R2 = 100KΩ
R3 = 100KΩ
R4 = 100KΩ
VCC
VCC
VCC
VCC
GND
GND
GND
GND
CH4
CH3
CH2
CH1
VCC
1
2
3
4
5
66
1 2
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
9
10
8
12
13
11
UnB-FGA
LAB SD1
PRANCHA 01
Circuito acendedor de LEDs
Versão
1.0
Data
31/01/2010
Elaborado por
Revisado por
Fulano
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 confu-
são.
• As diferentes funções desempenhadas pelo circuito devem se localizar
em regiõesdistintas. 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 esquemá-
tico. 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.
IMPORTANTE
• 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, des-
ligue imediatamente os interruptores da bancada.
10. Não obstrua os interruptores com qualquer tipo de objeto. O acesso aos mes-
mos 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. USO DO LABORATÓRIO E NORMAS DE DOCUMENTAÇÃO
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 labo-
ratório.
4. Deixe a bancada perfeitamente limpa e organizada.
Os alunos que deixarem as bancadas desorganizadas
perderão pontos na nota final do experimento
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A
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A
Ç
Ã
O
2
FAMILIARIZAÇÃO COM A BANCADA
2.1 Objetivos
Neste experimento, apresentam-se os conceitos básicos sobre material e equipa-
mentos 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 equi-
pamentos, 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 VAC e outro para a de 220 VAC . 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 profes-
sor, 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 cone-
xões elétricas entre componentes por intermédio de fios (tipicamente 22 AWG a 24
AWG). Recomendamos que cada dupla adquira uma protoboard, de modo a apro-
veitar 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
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b
b
b
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b
b
b
b
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b
b
b
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b
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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 distribui-
ção 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 banca-
das. 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 ex-
posta.
• Os fios não estão quebrados. Em caso de suspeita, faça o teste com o multíme-
tro.
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 especifica-
mente 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 equipa-
mento, 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 pro-
pósito: 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)
LED
i AK
VAK
A K
VAK
VT
i 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 ter-
minal 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
4.0VPP
1.0 KΩ
LED
• Ligue a fonte.
• Ligue o gerador.
• Observe no osciloscópio a forma de onda no LED.
22
Parte II
Experimentos
23
E
X
P
E
R
I
M
E
N
T
O
1
CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS
LÓGICAS
1.1 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 propa-
gação.
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 digi-
tais são simplesmente uma coleção de componentes discretos (tais como resistores,
capacitores, diodos e transistores) fabricados em um substrato de material semi-
condutor, conhecido como pastilha ou chip. No contexto de sistemas digitais, o
interesse principal é a implementação, na forma de circuitos, das funções boolea-
nas.
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 imple-
mentação de uma porta inversora (NOT) usando componentes discretos.
Nota-se que a simples montagem deste circuito requer 4 resistores, 4 transisto-
res e 2 diodos - ou 10 elementos de circuito. Porém, quando utilizamos um CI do
25
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
R1 3.6KΩ R2 1.6KΩ R4 115Ω
Q4
D2
Q3
Q2Q1
R3 1KΩ
D1
Vcc (14)
IN (1)
OUT (2)
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 preocu-
par 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 imple-
mentadas no substrato semicondutor, como mostrado na Tabela 1.1. Esta é uma
medida da complexidade funcional e de fabricação. Como exemplo, as funções bo-
oleanas 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.
SIGLA SIGNIFICADO NÚMERO 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
1Porém, quando formos projetar o CI é claro que este ponto é fundamental.
26
1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados
signal processors’), dentre outros. Esses CIs contêm circuitos formados por resisto-
res, 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, amplificado-
res 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, refere-
se 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.
SUBFAMÍLIA PREFIXO OBSERVAÇÃO
Standard 54/74 Série padrão
Low Power 54L/74L Baixa potência
Schottky 54S/74S Rápido
Advanced Schottky 54AS/74AS Rápido
Low Power Schottky 54LS/74LS Baixa potência
Advanced Low Power Schottky 54ALS/74ALS Baixa Potência
Fast 54F/74F Rápido
27
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
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 sub-
famílias: Notem que há CIs CMOS compatíveis com CIs TTL (mesma pinagem e
Tabela 1.3: Subfamílias CMOS.
SUBFAMÍLIA PREFIXO OBSERVAÇÃO
CMOS 74C Série padrão
High-speed CMOS 74HC Rápido
High-speed, TTL compatible 74HCT Compatível com TTL
Advanced CMOS 74AC 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 compa-
tible
74VHCT Compatível com TTL
Low-voltage CMOS 74LVC Baixa tensão de ali-
mentação
Advanced Low-voltage CMOS 74ALVC Baixa tensão de ali-
mentação
Advanced Ultra-low Power CMOS 74AUP Aplicações portáteis
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 di-
versas formas, de acordo com as necessidades mais comuns de confecção das placas
de circuito impresso. A que será utilizada neste curso é chamada de encapsula-
mento 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
1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados
1 14
2 13
3 12
4 11
5 10
6 9
7 8
1
14
7
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.
VCC
14 13 12 11 10 9 8
1 2 3 4 5 6 7
GND
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 co-
merciais atuais, exigem uma estratégia diferente, aproveitando todo o espaço pos-
sível 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, in-
troduziu a novidade de se deixar os pinos no soquete onde o CI será inserido (por
29
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
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 placa-
mãe, 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.
SIGLA SIGNIFICADO SIGLA SIGNIFICADO
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 reali-
zar a interconexão entre CIs de fornecedores diferentes.
30
1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados
O entendimento das características estáticas e dinâmicas que definem as capa-
cidades 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.
Binário 1
Binário 0
Tensões Inválidas Não usado
0.0 V
0.8 V
2.0 V
5.0 V
Figura 1.5: Valores típicos de tensão em um sistema digital.
No entanto, na prática esses valores são ligeiramente diferentes dos mostra-
dos, pois dependem de vários fatores como, por exemplo, a tecnologia defabricação
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.
0 V
0.4 V
0.8 V
2 V
2.4 V
5 V
GND
VOL
VIL
VIH
VOH
VCC
0 V
0.5 V
1.5 V
3.5 V
4.4 V
5 V
GND
VOL
VIL
VIH
VOH
VCC
0 - (5 V)
1 - (0 V)
ENTRADA
1 - (5 V)
0 - (0 V)
SAÍDA
tPHL tPLH
TTL 5 V CMOS 5 V
Figura 1.6: Alguns parâmetros de operação de CIs.
31
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
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 famí-
lia do CI.
Tabela 1.5: Alguns parâmetros de operação de CIs.
Símbolo Parâmetro Limites
Mínimo Típico Máximo Unid.
VCC Tensão de alimentação do CI 4,75 5,0 5,25 V
VIH Tensão mínima de entrada na
porta interpretada como nível
Alto (High)
2,0 V
VIL Tensão máxima de entrada na
porta interpretada como nível
Baixo (Low)
0,8 V
VOH Tensão mínima de saída na
porta para nível Alto (High)
2,7 3,5 V
VOL Tensão máxima de saída na
porta para nível Baixo (Low)
0,35 0,5 V
IIH 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 ní-
vel 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
1.2. Portas Lógicas e Circuitos Integrados
1.2.5 Parâmetros Elétricos Estáticos da Familia TTL
Os circuitos TTL da serie 74 foram projetados para operar com tensão de alimen-
tação 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. To-
dos 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 ca-
racterização 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 exem-
plo de uma curva de transferência de um inversor.
VCC
Tensão de Saída (V)
Tensão de Entrada (V)
Nível 0
Nível 1
Vb Vx
Va
0
1
2
3
4
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
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 PORTAS LÓGICAS
pode-se somar um ruído de amplitude −0,4V , que o sinal resultante ainda se en-
contra 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 encontra-
dos.
Tabela 1.6: Níveis de corrente típicos para a série 74 da tecnologia TTL. Valores
obtidos de [SM11a]
PARÂMETRO DESCRIÇÃO VALOR
I I L
Corrente máxima fornecida por
entrada em nível ZERO
-1,6 mA
IOL
Corrente máxima absorvida por
saída em nível ZERO +16 mA
I I H
Corrente máxima absorvida por
entrada em nível UM +40 µA
IOH
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 apli-
cada 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 IOL >> IOH . 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 apresen-
tam 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 proces-
sadores, 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
Inclinação = +1
Inclinação = -1
VOH=VDD
0
0 VIL
VTH = VDD/2
VIH VDD
Nível 0 Nível 1
Tensão de Saída
Tensão de Entrada
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 sis-
temas digitais. O equacionamento lógico obtido para a implementação de um pro-
jeto 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 tensãoaté 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; toma-
se 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 aparente-
35
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
tr
∆V
0,1 ∆V
0,9 ∆V
Figura 1.9: Caracterização do tempo de subida.
tf
∆V
0,1 ∆V
0,9 ∆V
Figura 1.10: Caracterização do tempo de descida.
Entrada
Saída
Entrada
Saída
∆VE ∆VS
0,5 ∆VS
0,5 ∆VE
td
Figura 1.11: Caracterização do tempo de atraso.
mente corretos. Para que se possa contornar essa situação deve-se conhecer pro-
fundamente 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 apresenta-
dos: 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 profes-
sor).
Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,
incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-
quemáticos 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 correspon-
dente. Qual uma possível aplicação deste circuito?
37
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
VCC
GND
A
B
LUZ
VCC
VCC
GND
GND
VCC
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
GND
FARÓIS
VCC
GND
IGNIÇÃO
VCC
GND
PORTA
Acesos
Apagados
Ligada
Desligada
Aberta
Fechada
R
LEDAlarme
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 NÃO-
XOR (XOR) com quatro entradas.
1.4 Roteiro Experimental
1.4.1 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 VLED sobre o LED e VR sobre o resistor. Anote todas as medi-
ções.
• 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
Fonte variável
(0 a +5.0 V)
VCC (pino 14)
GND (pino 7)
Saída
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 cons-
trua o gráfico da curva característica de transferência de tensão deste inversor
usando as Figuras 1.16 e 1.17.
39
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
Tabela 1.7: Levantamento de curvas características de CIs TTL e CMOS.
❳
❳
❳
❳
❳
❳
❳
❳
❳
❳
❳
❳
FAMÍLIA
VIN(V) 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 correspon-
dente ao nível lógico UM e ao nível lógico ZERO de uma porta OR TTL. Des-
creva 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 inver-
sores 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
VOUT,2VIN
CH1
VOUT,1
CH2 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
1.4. Roteiro Experimental
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. Co-
mente os resultados obtidos.
41
1. CARACTERIZAÇÃO DE PORTAS LÓGICAS
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 Tensão de entrada (V)
T
en
sã
o
de
sa
íd
a
(V
)
Figura 1.16: Curva característica experimental de circuito TTL.
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 Tensãode entrada (V)
T
en
sã
o
de
sa
íd
a
(V
)
Figura 1.17: Curva característica experimental de circuito CMOS.
42
1.4. Roteiro Experimental
timeDiv :
5ms/div
Channel A :
1 V/div
Channel B :
1 V/div
XY
OFF
OffsetB
0
OffsetC
0
OffsetA
0
timeDiv :
5ms/div
Channel A :
1 V/div
Channel B :
1 V/div
XY
OFF
OffsetB
0
OffsetC
0
OffsetA
0
timeDiv :
5ms/div
Channel A :
1 V/div
Channel B :
1 V/div
XY
OFF
OffsetB
0
OffsetC
0
OffsetA
0
timeDiv :
5ms/div
Channel A :
1 V/div
Channel B :
1 V/div
XY
OFF
OffsetB
0
OffsetC
0
OffsetA
0
timeDiv :
5ms/div
Channel A :
1 V/div
Channel B :
1 V/div
XY
OFF
OffsetB
0
OffsetC
0
OffsetA
0
timeDiv :
5ms/div
Channel A :
1 V/div
Channel B :
1 V/div
XY
OFF
OffsetB
0
OffsetC
0
OffsetA
0
43
E
X
P
E
R
I
M
E
N
T
O
2
CIRCUITOS LÓGICOS
COMBINACIONAIS
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 carac-
terística 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 funcio-
namento de circuitos muito utilizados na construção de computadores e em vários
outros sistemas digitais, como por exemplo, os circuitos somadores, subtratores, co-
dificadores, 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. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS
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 cir-
cuito. 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 atra-
vés 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 apropri-
ado, 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 uti-
lização 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, especifica-
ções 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 cir-
cuitos 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. No-
47
2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS
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 ma-
neira 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.
b
b
b
b
b
b
D
G
A
F
E
B
C
DP
K
D
F
E
G
A
K
B
DP
C
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 determinadopelas 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 segmen-
tos do display;
49
2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS
• 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 nomanual 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 nú-
mero de variáveis. Desta forma, procure na literatura como é realizado o processo
de simplificação em problemas que possuem número elevado de variáveis. Des-
creva 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
2.4. Pré-Relatório
exemplo, o Proteus, Circuito Maker, Pspice, etc. No entanto, devem ser apresenta-
dos: 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 profes-
sor).
Nos projetos os alunos devem apresentar todas as etapas do desenvolvimento,
incluindo as tabelas verdades, simplificações lógicas realizadas, os diagramas es-
quemáticos 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 di-
gital F. Para sintetizar este circuito montou-se no laboratório a configuração mos-
trada na Figura 2.6.
Gerador de
Palavras
Digitais
Circuito Digital
Desconhecido
“Black Box”
F
A
B
C
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. Ba-
sicamente 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 anali-
sador lógico e apresentado na Figura 2.7.
Considerando as informações expostas: Projete e simule o circuito combinaci-
onal simplificado que satisfaz este diagrama. Não se esqueça de apresentar a
51
2. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONAIS
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 considera-
ções 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 pro-
porcione maior economia de portas lógicas, ou seja, o menor circuito possível.
Exemplo de Projeto: Considere um aluno cujo registro acadêmico (RA) é o nú-
mero 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 (por-
tanto, em cada dupla, deve existir dois projetos diferentes), de forma que, não de-
verá existir dois circuitos idênticos sob pena do aluno receber nota zero no pré-
relatório e ficar impedido de realizar o experimento.
52
2.5. Roteiro Experimental
2.4.2.3 Projeto e Simulação 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 de-
cidir 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 ex-
periência 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 cir-
cuito?
• Foi preciso utilizar o documento “metodologia de depuração”? Se sim,
quais ítens foram equivocados e não ajudaram no processode encontrar
o erro de montagem? Quais mudanças vocês propõem nesse documento
para deixá-lo mais eficiente?
53
E
X
P
E
R
I
M
E
N
T
O
3
CIRCUITOS SOMADORES E
SUBTRATORES
3.1 Objetivos
Familiarização com a aritmética binária e com a implementação de circuitos soma-
dores 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 impossí-
vel. 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 opera-
ções 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 determi-
nado valor na memória deve ser somado ao valor do acumulador;
2. O valor é transferido da memória para o registrado B;
55
3. CIRCUITOS SOMADORES E SUBTRATORES
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.
Entrada
Unidade
lógica /
aritmética
Controle Saída
Memória
dados, informação
dados, informação
sinais de controle
dados ou informação
Unidade Central de Processamento
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 propor-
cional à complexidade do sistema em que será utilizada; assim, sistemas simples
permitem o uso de ULAs simples e sistemas sofisticados exigem ULAs sofistica-
das. Uma vez estabelecido o porte do sistema, existe também o compromisso entre
velocidade e preço. Por exemplo, as calculadoras eletrônicas exigem ULAs que per-
mitem 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 de-
talhado 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 representa-
ção. 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 compu-
tadores 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 fun-
ciona 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 com-
plemento de 2, e um bit de sinal 1 é colocado em frente ao bit mais significa-
tivo.
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, recomenda-
se representar o número na forma de sinal-magnitude, assim determine o
complemento de 2 do resultado para determinar a magnitude do número ne-
gativo 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, cir-
cuito somador completo paralelo, entre outros. Na seção 3.3.1 deste roteiro será
solicitado ao aluno realizar uma pesquisa bibliográfica para apresentar as caracte-
rísticas de cada circuito somador existente.
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3. CIRCUITOS SOMADORES E SUBTRATORES
3.2.4 Overflow Aritmético
Ocorre sempre que uma operação aritmética produz um número que necessita ser
expresso emmais 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, desta-
cando em cada caso as vantagens e desvantagens. DICA: Pesquisar sobre um cir-
cuito 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,