lab de circuitos digitais

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RELATÓRIO DAS AULAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO DE CIRCUITOS DIGITAIS 
 Julho, 2015
INTRODUÇÃO
	As aulas em laboratório de Circuito Digital serviram como uma introdução e aprendizado sobre os equipamentos e manuseio dos materiais envolvidos nesta disciplina. 
	Osciloscópio: é um instrumento de medida eletrônico que cria um gráfico bidimensional visível de uma ou mais diferenças de potencial. O eixo horizontal do monitor normalmente representa o tempo, tornando o instrumento útil para mostrar sinais periódicos. O eixo vertical comumente mostra a tensão. O monitor é constituído por um "ponto" que periodicamente "varre" a tela da esquerda para a direita.
	Protoboard:é uma placa de ensaio ou matriz de contato, é uma placa com furos (ou orifícios) e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. A grande vantagem da placa de ensaio na montagem de circuitos eletrônicos é a facilidade de inserção de componentes, uma vez que não necessita soldagem. As placas variam de 800 furos até 6000 furos, tendo conexões verticais e horizontais. Porém, a sua grande desvantagem é o seu "mau-contato", e muitas vezes a pessoas preferem montar os seus circuitos com muitos fios a usar a protoboard.
	Multi-teste: ele é destinado a medir e avaliar grandezas elétricas, um Multímetro ou Multiteste é um instrumento que pode ter mostrador analógico (de ponteiro) ou digital. O mostrador digital funciona convertendo a corrente elétrica em sinais digitais através de circuitos denominados conversores análogo-digitais. Esses circuitos comparam a corrente à medir com uma corrente interna gerada em incrementos fixos que vão sendo contados digitalmente até que se igualem, quando o resultado então é mostrado em números ou transferidos a um PC. Varias escalas divisoras de tensão, corrente, resistência e outras são possíveis.
	Leds (Diodo Emissor de Luz): é usado para a emissão de luz em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada. Especialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado em tamanho maior, como em alguns modelos de semáforos.
	Resistor: é um dispositivo elétrico muito utilizado em eletrônica, ora com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica por meio do efeito joule, ora com a finalidade de limitar a corrente elétrica em um circuito.
	Gerador de Sinal: é um aparelho eletrônico utilizado para gerar sinais elétricos de formas de onda, frequências (de alguns Hz a dezenas de MHz) e amplitude (tensão) diversas. São muito utilizados em laboratórios de eletrônica como fonte de sinal para teste de diversos aparelhos e equipamentos eletrônicos. Um gerador de funções deve poder gerar sinais senoidais, triangulares, quadrados, dente-de-serra, com sweep (frequência variável), todos com diversas frequências e amplitudes. Normalmente ele possui um frequencímetro acoplado e diversos botões de ajuste e seleção, além de conectores para saída do sinal. Seu uso é muito ligado à utilização do osciloscópio, com o qual se pode verificar as suas formas de onda.
Multiplexadores:são circuitos que permitem compactar vários sinais analógicos em um único canal de transmissão (mux-multiplexador) e depois, faz a separação, reconstituindo os sinais para o estado original (demux-demultiplexador).
Flip-Flop:é um dispositivo que possui dois estados estáveis e para assumir um destes estados, é necessária uma combinação das variáveis de entrada e de um ponto de clock.
Encapsulamento de CLs:basicamente uma proteção que envolve um circuito integrado. Sua principal função é garantir a conexão segura entre os circuitos e as placas físicas. Esta proteção é composta por pinos de metal, que fixam um envoltório retangular feito de metal, plástico ou de outros materiais . O mecanismo descrito garante que a transmissão de energia não cause danos físicos nos circuitos nem nas próprias placas.
Circuitos combinacionais, são circuitos com saídas dependentes das variáveis de entrada E/OU de seus estados lógicos anteriores, que permanecem armazenados.
OBJETIVO
	De modo geral, todas as aulas realizadas em laboratório, teve como objetivo apresentar o ambiente de montagem de circuitos digitais, as técnicas de montagem, o manuseio de componentes e desenvolver a prática de consulta aos manuais. Possibilitando maior desenvoltura na manipulação dos utensílios eletrônicos . 
 1ª Aula
Teve como objetivo principal mostrar a diferença entre um sinal analógico e um sinal digital, e também, mostrar o funcionamento de um osciloscópio por meio de análises dos sinais digitais e analógicas. Além disso, nesta aula também foi nos apresentado o protoboard e multiteste, que com o auxilio de leds e resistores permitiu que fosse possível a concretização do experimento.
 2ª Aula
	Teve como objetivo permitir ao aluno verificar a veracidade das tabelas verdades de cada porta lógica estudada em aula, por meio de diversos circuitos combinacionais que permitiam acender ou não acender uma lâmpada LED.
 3ª Aula
A terceira aula teve como objetivo o estudo de dispositivos de memória com flip flops, utilizando para isso uma porta NAND.
MATERIAIS E MÉTODOS
Dos materiais citados abaixo, a maioria foi utilizada em todas as aulas exceto o osciloscópio (apenas 1ª aula)
Materiais: 
-Osciloscópio
-Protoboard
-Componentes: 74LS00, 74LS04, 74LS02, 74LS32, 01 resistor de 270Ω, 01 LED.
-Multímetro;
-Gerador de energia;
-Fios ( preto e vermelho)
-Gerador de Sinal
-Encapsulamento de CIs
Métodos:
1ª Aula:
No inicio da aula aprendemos como utilizar o osciloscópio, para análise de sinais digitais. Conectamos a garra jacaré (ponta de prova) na parte metálica (terra) e a garrinha conectamos na parte de cima. Em seguida ajustamos a amplitude no botão position e ligamos o botão 2. Conectamos o conector em OUT e outro no canal 2 do osciloscópio
. 
Figura 1. Ociloscópio
Na segunda parte da aula, manuseamos o protoboard com o auxilio de fios, leds, resistor e multiteste. Analisando assim a tensão, frequência e corrente dos sinais digitais e analógicos. Como tudo funciona em função do tempo, o eixo horizontal é dado em segundos (ou algum de seus múltiplos), já o eixo vertical representa a diferença de potencial entre o GND e o sinal que é aferido pela ponta de prova,a linha que passa na tela mostra as variações deste sinal em função do tempo
2ª Aula
O protoboard (breadboard, ou simplesmente matriz de contatos), mostrado na figura 1 , torna possível a construção de circuitos através da conexão direta de componentes. A alimentação dos circuitos é feita com as tensões disponíveis (+15V, +10V, +5V, GND, -5V, -10V e -15V) claramente indicadas na parte superior da placa.
Na barra de alimentação e no corpo principal da placa encontram-se dispostos pontos de conexão onde podem ser inseridos terminais de componentes ou fios apropriados. Estes pontos encontram-se ligados internamente e é imprescindível o conhecimento da forma de conexão antes de iniciar as atividades. 
Figura 2. Representação do protoboard: (a) Aparência externa, (b) ligação externa dos pontos de conexão
Figura 3. Aparência do protboard utilizado em laboratório
É importante ter em mente que a conexão de dois pontos com tensões diferentes (ainda que por poucos instantes) fatalmente ocasiona um curto circuito que pode danificar os fios, componentes, fonte ou mesmo a própria placa do protoboard.
Através da utilização de diversos CIs (Circuitos integrados), foi possível contruir sistemas de entrada e saída e escolher qual saída deseja. As funções lógicas podem ser implementadas de maneiras diversas, sendo que no passado, circuitos com relés e válvulas a vácuo foram utilizados na execução destas funções. Atualmente, circuitos integrados (CIs) digitais
funcionam como portas lógicas. Esses CIs contêm circuitos formados por resistores, 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. Dizemos, idealmente, que os transistores operam como chaves, a porta lógica mais famosa é a 74LS00( NAND), é parte de uma família de dispositivos, representando um dentre os muitos dispositivos da família transistor-transistor-logic (TTL). Dispositivos de outras famílias lógicas, como o CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), estão disponíveis e que apresentam a mesma funcionalidade (p.ex. 74HC00). Em laboratório utilizou-se outras portas além dessa, como a 74LS04, 74LS02, 74LS32. 
Neste experimento, em um protoboard, foi elaborado circuitos com as portas lógicas 74LS00 (NAND) 74LS04 ( HEX INVERTING) 74LSO2 (NOR), 74LS32 (OR), As ligações realizadas através dos fios permitiu a comprovação da veracidade das tabelas verdades desses circuitos integrados com a tarefa de acender ou não um LED. Para realizar este experimento, foi acrescentado na saída da porta lógica um fio que seguida até um dos pontos da fileira onde se encontrava o LED. Isto permitia a passagem de uma corrente suficiente para acender a lâmpada sem que houvesse danos. 
Seguindo com base nos desenhos dos circuitos integrados, foi construído cada um dos sistemas com o intuito de testar a veracidade da tabela verdade de cada porta testada:
Na figura abaixo tem-se a pinagem do circuito integrado 7400 (NAND), onde pode-se observar os pinos de alimentação (14), terra (7), entradas e saídas para quatro portas lógicas num encapsulamento DIP de 14 pinos.
Figura 4. CI 7400
Abaixo têm- se as imagens de cada uma das outras portas utilizadas no experimento.
Figura 5. CI de uma porta 7402 (NOR), com duas entradas e uma saída e quantro portas lógicas encapsuladas.
Figura 6. CI 7404 (INVERSORA), possui uma entrada e uma saída e o circuito apresenta seis portas lógicas.
Figura 7. CI 7408 (AND), possui quatro portas lógicas e cada uma apresenta duas entradas e uma saída.
Figura 8. CI 7432, (OR), com duas entradas e uma saída e quatro portas lógicas encapsuladas.
Primeiramente, desencapou-se cada fio utilizado, em seguida, em cada porta lógica, foi inserido dois fios sendo um ligado no pino 7 dos CIs e levado até o polo negativo do protoboard e o outro ligado no pino 14 de cada CI e posicionado no polo positivo no lado direito do protoboard, estes fios fazem o papel de terra. A partir da imagem interna de cada circuito integrado, foi colocado um fio para cada entrada de uma das portas indicada pelas figuras acima, e um fio ligado a saída da mesma porta usada. Foi necessário acrescentar na porta de saída e em um dos quadrados disponíveis no corpo principal onde se encotrava o LED, um resistor. Este que dificulta a passagem de corrente elétrica no circuito, permitindo que chegue ao LED uma carga suportável e suficiente para não queimá-lo. A fonte de energia vinda do gerador, é ligada ao protoboard através dos dois fios inseridos na parte preta do protoboard. 
( a) (b)
Figura 9. Exemplificação de um sistema montado em laboratório para acender e apagar a lâmpada conforme o circuito integrado em posição. (b)Gerador de corrente no protoboard
3ª Aula
O princípio do procedimento experimental consistiu na construção e análide de um flip-flop, utilizando portas lógicas discretas como mostra o esquema abaixo:
Figura 11. Esquema de um flip flop implementado com uma porta NAND.
Na última aula em laboratório, a partir de um circuito combinacional pronto, utilizamos o protoboard onde conectamos o encapsulamento de 16 pinos. Encaixamos os resistors para servir de terra e não causar nenhum dano ao circuito integrado. Utilizamos fios vermelhos e pretos para fazer as conexões de acordo com as entradas e saídas do circuito combinacional. A partir da conexão feita, testamos este circuito mudando as posições dos fios vendo assim como ocorre a mudança de estado dos Flip-Flops, usando como parâmetro os leds acesos ou não.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
1ª Aula
Após o manuseio do osciloscópio e todas as conexões precisas efetuadas, tivemos como resultado dois sinais, sendo um mais senoidal que representa o sinal analógico, e o outro com valores mais discretos, que é o digital. O sinal analógico é um tipo de sinal contínio que varia em função do tempo. A representação de um sinal analógico é uma curva, sendo assim, a taxa de frequência é bem maior e não tão confiável quanto o digital. A representação de um sinal digital é um histograma. Com o sinal digital pode-se garantir a qualidade de um sinal, diminuindo os custos de armazenamento e tempo de processamento.
Figura 10. Ociloscópio analisando os sinais digitais recebidos, é mostrado a amplitude do sinal em função do tempo. No eixo vertical o Vpp (Volts pico a pico) é dado pela diferença entre os picos de tensão (Vpp = VpMax - VpMin). 
Com o manuseio do protoboard e do multiteste conseguimos analisar que com os fios, leds e resistoers nas posições corretas no protoboard, a corrente gerada era suficiente para ligar os leds sem que houvesse queima, ou curtos.
 2ª Aula
Devido a montagem correta de cada um dos sistemas desenvolvidos, verificou-se todas as possibilidades que as tabelas verdades de cada porta lógica. 
Figura 10. Tabela verdade usadas no experimento.
Observou-se no multimetro, que a corrente "puxada" pelo resistor era de 5 volts, e chegava ao LED 2 volts. Além disso, alguns erros relativos a correlação errada de cada parte do sistema fez com que o fio esquentasse rapidamente, provavelmente a causa foi um curto circuito induzido, então desligou-se o aparelho gerador de energia e com a ajuda do professor, refez-se o experimento. 
 3ª Aula:
A partir do circuito combinacional montado em um protoboard, ao mudarmos as entradas e saídas, podemos notar os flip-flops, assim quando o circuito não estava posicionado da forma correta nos polos positivos ou negativos corretos, os leds não acendiam. E quando o circuito estava montado de forma correta, os leds acendiam. 
Para testarmos o circuito acima, conectamos as entradas set e reset às chaves do módulo e as saídas, podendo testar todas as possibilidades e obter os resultados deste teste como uma tabela verdade. 
Tabela 1 – Tabela verdade para flip-flop com portas nand
Comparando a tabela verdade obtida com a tabela verdade de um flip-flop nand vista na teoria, observamos que são iguais e portanto comprovamos o funcionamento deste circuito como um flip-flop. Uma aplicação interessante do flip flop está na resolução do problema de trepidação de chaves mecânicas. Uma chave mecânica ao se fechar não o faz uma única vez, ela trepida por um instante imperceptível porém, este problema pode ocasionar acionamentos indesejáveis do circuito e por isso é desejável eliminá-lo. 
CONCLUSÃO
As aulas nos permitiu a maior liberdade de testar os equipamentos e fazer uso dos aparelhos de laboratório de circuitos digitais, além de aprender a pesquisar os manuais, e montar circuitos simples porém que possuem diversas utilidades seja para sistemas simples e até mais sofisticados. Utilizamos as portas de grande aplicação e o flip flop que é um dispositivo de memória bastante eficiente.
Estes equipamentos usados na sua forma correta consegue nos mostrar vários resultados relacionados á corrente elétrica, tensão, amplitude de sinais digitais e analógicos e conseguimos conhecer na prática cada um deles.