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1 EEP – ESCOLA DE ENGENHARIA DE PIRACICABA FUMEP – FUNDAÇÃO MUNICIPAL DE ENSINO DE PIRACICABA Circuitos Sequenciais GRUPO : Carlos Eduardo Vaz RA: 201200697 Daniel Rodrigues Carlos RA:201200716 Aplicações em Eletrônicas Industrial Piracicaba Junho 2015 2 Circuitos Seqüênciais GRUPO : Carlos Eduardo Vaz RA: 201200697 Daniel Rodrigues Carlos RA: 201200716 Prof. Antônio Augusto T. P. de Moraes Relatório da Aula Circuitos Seqüênciais apresentado para avaliação da Disciplina Aplicações em Eletrônicas Industrial com orientação do Prof. Antônio Augusto T. P. de Moraes. 3 SUMÁRIO 1. Objetivos....................................................................................................... 2. Introdução...................................................................................................... 2.1 Modelo geral de um circuito.................................................................. 2.2. Flip-Flops .............................................................................................. 2.2.1 - Flip-Flop Tipo RS Básico.......................................................... 2.2.2 – Flip-Flop Tipo RS com Entrada Clock....................................... 2.2.3 – Flip-Flop Tipo JK....................................................................... 2.2.4 – Flip-Flop Tipo JK com Preset e Clear........................................ 2.2.5 – Flip-Flop Tipo JK Mestre-Escravo............................................. 2.2.6 – Flip-Flop Tipo T.......................................................................... 2.2.7 – Flip-Flop Tipo D......................................................................... 2.3 – Registradores....................................................................................... 2.3.1 – Registradores de Deslocamento (shift registers)................... 2.3.2 – Registrador de deslocamento com sinal de carga paralela..... 2.3.3 – Registrador Contador Assíncrono......................................... 2.4 – Unidade Lógica e Aritmética (ULA)................................................... 2.4.1 – Meio-somador (half-adder)................................................... 2.4.2 - Somador inteiro .................................................................... 3. – MATERIAL........................................................................................... 4. Procedimento ............................................................................................... 5. Resultados ...................................................................................................... 6. Conclusão ................................................................................................... 7. Bibliografia ................................................................................................. 4 4 5 6 6 7 8 8 8 8 9 10 10 11 12 12 13 13 14 18 18 4 1 – Objetivo Montar os circuitos combinacionais apresentado pelo professor no programa Multisim 2 - Introdução Cicuitos sequenciais, que como o nome indica, são circuitos que função da sequência de valores que as variáveis de entrada foram tomando ao longo do tempo adquirem diferentes comportamentos (diferentes valores nas saídas) para uma mesma combinação das variáveis de entrada, ou seja, o circuito reage às entradas função de acontecimentos passados. Tal comportamento implica a existência de memória pois o sistema guarda informação de acontecimentos passados. 2.1 – Modelo Geral de um Circuito Sequencial Os circuitos sequenciais são constituídos por circuitos combinatórios e elementos de memória, cujo modelo geral é apresentado na Figura 1. Figura 1 – Modelo geral de um circuito sequencial A informação binária guardada no elemento de memória num determinado instante define o estado do sistema sequencial. O circuito de comportamento combinatório na Figura 1 desempenha duas funções: gera as saídas do sistema e gera o estado seguinte. Na Figura 2 é apresentado o diagrama de blocos do modelo geral que toma em conta esta divisão entre função geradora de estado seguinte e função geradora de saídas. 5 Figura 2 – Diagrama de blocos do modelo geral de um circuito sequencial Como se pode observar na Figura 2, as saídas do sistema e o estado seguinte, dependem do estado presente e do valor lógico das entradas. Os circuitos sequenciais são classificados em dois tipos: os circuitos sequenciais assíncronos e os sequenciais síncronos. Está classificação é atribuída, função do instante temporal em que as entradas são observadas e o momento em que o estado do circuito se altera. Nos circuitos sequenciais assíncronos, o estado muda no momento em que as entradas mudam, nos circuitos sequenciais síncronos a observação das entradas e subsequente evolução de estado, realiza-se em sincronismo com a transição de um sinal de entrada específico denominado por clock (relógio). A designação de clock advém do fato deste sinal ser normalmente periódico. Como podemos concluir existe um novo fator que é o tempo, e que importa por isso analisar o comportamento dos componentes que constituem os sistemas digitais no domínio do tempo. 2.2 – Flip-Flops Flip-Flops são circuitos sequênciais lógicos desenvolvidos para inúmeras aplicações, como por exemplo o controle de alguma produção industrial, onde temos várias entradas que devem funcionar de acordo com uma determinada lógica para que a produção possa ser otimizada e nunca parar. Os Flip-Flops tem em seu circuito suas variáveis de entrada, uma entrada para o clock e duas saídas, normalmente denominadas com Q e Q’. 6 2.2.1 – Flip-Flop Tipo RS Básico Consiste no tipo mais básico de Flip-Flop, onde temos as duas saídas Q e Q’ e suas variáveis de entrada são um Set e um Reset, onde o Set seleciona o nível lógico 1 na saída do circuito (Q) e o Reset que seleciona o nível lógico 0 n a saída (Q’). Abaixo temos seu circuito equivalente. Adotado Qa como a entrada atual do circuito. Figura 3 – Flip-Flop Tipo RS Básico: A) Circuito, B) Representação e C) Tabela Verdade 2.2.2 – Flip-Flop Tipo RS com Entrada Clock Partindo da mesma lógica do tipo de Flip-Flop RS Básico, a única alteração em sua composição é a entrada de um clock, que é a peça fundamental para o circuito, pois quando ativo ele altera a saída de acordo com as variáveis de entrada. Abaixo segue o circuito equivalente. Figura 4 - Flip-Flop Tipo RS Básico com Entrada Clock: A) Circuito, B) Representação e C) Tabela Verdade Porém, aqui temos a entrada do clock, que quando possui nível lógico 1 permite o funcionamento do RS Básico em si e quando ele apresenta nível lógico 0 ele apresenta na saída o último estado das entradas. 7 2.2.3 – Flip-Flop Tipo JK O funcionamento do JK nada mais é que um Flip-Flop RS realimentado, conforme a ilustração abaixo: Figura 5 – Flip-Flop Tipo JK: A) Circuito e B) Tabela Verdade 2.2.4 – Flip-Flop Tipo JK com Preset e Clear Aqui temos a entrada de duas novas variáveis, o Preset e Clear, que determinam o funcionamento do Flip-Flop. Onde o Preset seleciona o nível lógico 1 na saída, independente do que está nas entradas, assim como o Clear seleciona o nível lógico 0 na saídaindependente do que está nas entradas. Abaixo segue a tabela de como funciona o esquema Preset e Clear. Figura 6 – Flip-Flop JK com Preset e Clear Uma importante observação é o uso de portas inversoras antes das entradas Preset e Clear e por isso tivemos os resultados obtidos acima. 8 Podemos então concluir que quando as entradas Preset e Clear forem iguais a 1, o Flip-Flop apresentará as mesmas características de um Flip-Flop Tipo JK. Abaixo o circuito equivalente: Figura 7 – Flip-Flop Tipo JK com Preset e Clear: Circuito equivalente 2.2.5 – Flip-Flop Tipo JK Mestre-Escravo Este tipo de Flip-Flop foi desenvolvido para resolver um problema característico do Flip-Flop tipo JK, que é a alteração das entradas enquanto o sinal do clock for 1, alterando as saídas até que o clock seja 0. Visando corrigir este erro foi desenvolvido um circuito que conforme é dado o pulso no clock suas entradas são bloqueadas, e a saída só é fornecida quando o pulso deste clock é 0. Abaixo segue o esquema do circuito em questão: Figura 8 – Flip-Flop JK Mestre-Escravo: Esquema do Circuito 9 2.2.6 – Flip-Flop Tipo T Este Flip-Flop é obtido a partir de um Flip-Flop JK Mestre-Escravo, onde temos as entradas J e K curto-circuitadas, assim o circuito só pode assumir dois estados lógicos, conforme a Figura 9 abaixo: Figura 9 – Flip-Flop Tipo T: Esquema do Circuito Este Flip-Flop é utilizado como célula principal dos contadores assíncronos, além de serem divisores de frequências. 2.2.7 – Flip-Flop Tipo D Muito parecido com o Flip-Flop Tipo T, este apresenta a semelhança de curto- circuitar as entradas, porém ao invés disso, temos a presença de uma porta inversora entre as duas entradas, como mostrado o exemplo do circuito abaixo: Figura 10 – Flip-Flop Tipo D: Esquema do Circuito 10 O Flip-Flop Tipo D é utilizado principalmente como registradores de deslocamento, devido a sua capacidade de armazenar dados. 2.3 – Registradores Um registrador é um circuito digital formado por n Flip-Flops, de modo a poder armazenar simultaneamente (e de maneira independente) n bits. Trata-se de um tipo de elemento de armazenamento básico: um processador possui um conjunto de registradores que pode variar de três a algumas dezenas. A existência de registradores dentro do processador acelera o processamento, pois os dados que estão sendo manipulados ficam armazenados próximo dos recursos de processamento, o que reduz os acessos feitos à memória. A Figura 11 mostra um registrador de 4 bits feito com Flip-Flops D (disparados pela borda ascendente). Figura 11 – Um registrador de 4 bits, com carga paralela 2.3.1 – Registradores de Deslocamento (shift registers) Uma operação muito importante na aritmética binária é o deslocamento de bits. Essa operação consiste em deslocar o conteúdo de um flip-flop para o seu adjacente. A operação pode se dar da esquerda para a direita (deslocamento à direita) ou da direita para a esquerda (deslocamento à esquerda). No primeiro caso, cada flip-flop recebe o conteúdo do seu vizinho imediatamente à esquerda. O flip-flop mais à esquerda recebe o dado de uma “fonte” externa pela “entrada serial”. Já o conteúdo do flip-flop mais à direita é descartado. 11 No segundo caso, cada flip-flop recebe o conteúdo do seu vizinho imediatemente à direita. O flip-flop mais à direita recebe o dado de uma “fonte” externa pela “entrada serial”. Já o conteúdo do flip-flop mais à esquerda é descartado. Figura 12 – Registrador de deslocamento à direita de 4 bits Repare que há uma ligação entre a saída de cada flip-flop e a entrada do seu vizinho imediatamente à direita (adjacente a direita). Um registrador de deslocamento à esquerda deve apresentar uma ligação entre a saída de cada flip-flop e a entrada do flip-flop imediatamente à esquerda. Um tal registrador é mostrado na Figura 13. Note que a entrada serial está conectada ao flip-flop mais à direita (flip-flop que armazena o bit menos significativo). Figura 13 – Registrador de deslocamento à esquerda de 4 bits 12 2.3.2 – Registrador de deslocamento com sinal de carga paralela Um registrador muito útil é aquele que, além de permitir a carga paralela por meio de sinal de carga, ainda permite deslocamentos à direita e à esquerda. Isso é possível se, na entrada de cada flip-flop houver um seletor capaz de escolher de onde vem o dado a ser armazenado no flip-flop corrente: de uma fonte externa (no caso de uma carga paralela), da direita, da esquerda ( nocaso de deslocamento) ou do próprio flip-flop (no caso de simplesmente se querer manter o conteúdo inalterado). Figura 14 - Um registrador-deslocador de 4 bits com sinal de carga e reset assíncrono 2.3.3 – Registrador Contador Assíncrono Um contador (ou incrementador) é um registrador que “conta” em binário. Ou seja, a cada sinal de relógio, o conteúdo do registrador é incrementado de uma unidade. Logo, um registrador contador de 4 bits é capaz de contar de 0 (0000) até 15 (1111). Figura 15 – Contador de um bit (com reset assíncrono) 13 Um circuito contador de mais bits possui uma conexão entre cada flip-flop vizinho, de modo que cada flip-flop de maior ordem é responsável pela ordem de incremento de seu vizinho de menor ordem. Figura 16 – Contador assíncrono de 3 bits (com reset assíncrono) 2.4 – Unidade Lógica e Aritmética (ULA) Uma unidade Lógica Aritmética (ULA) pode ser encontrada em diversos processadores de dados. Está é a parte do processador que realmente efetua cálculos aritméticos. A ULA foi proposta pelo matemático John von Neumann em 1946. Desde então os desenvolvimento destas tem sido de vial importância para o aceleramento do processamento de dados e a realização de cálculos matemáticos mais rapidamente. Hoje em dia uma unidade lógica aritmética pode realizar as seguintes operações: Operações aritméticas com inteiros; Operações lógicas bit a bit And, Not, Or, Xor; Operações de deslocamento de bits (deslocamento, rotação por um número específico de bits para esquerda ou direita, com ou sem sinal); Operações de divisão e multiplicação. 14 2.4.1 – Meio-somador (half-adder) Um meio-somador recebe dois bits de entrada A e B e produz dois bits de saída: o bit de soma somatória = A+B e o bit de carry Cout. Figura 17 – Símbolo lógico de um meio-somador Figura 18 – Tabela Verdade de um meio-somador Figura 19 – Diagrama lógico de um meio-somador 15 2.4.2 - Somador inteiro Um somador inteiro recebe 3 bits de entrada A, B e Cin (o último correspondendo a eventual carry gerado na operação com bits menos significativos) e produz dois bits de saída: o bit de soma somatório = A+ B e o bit de carry Cout. Figura 20 – Símbolo lógico de um somador inteiro Figura 21 – Tabela verdade de um somador inteiro 16 Figura 22 – Lógica necessária para formar a soma dos bits de entrada A e B com o carry de entrada 3 - MATERIAL - National Instruments™ Multisim ver. 11.0 4 – PROCEDIMENTO Foi montado os circuitos sequenciais apresentado pelo professor no programa Multisim, estes circuitos foram montados com portas lógicas. 5 – Resultados Fig.1 FlipFlop D Fig.2 FlipFlop JK Fig.3 FlipFlop T 17 Fig.4 Circuito Somados 7- Conclusão: Concluímos à partir do experimento realizadoa importância dos circuitos sequenciais, pois com eles é possível fazer diversas aplicações independente da área de atuação, que pode ser desde sistemas simples até sistemas complexo 8- Referencia Bibliográfica https://adeetc.thothapp.com/classes/ACp/1213i/LI21N-LT31N/resources/613 http://escolaindustrial.com.br/escolaindustrial.com.br/Apostilas/M-1113a-1100-Aluno-Por.pdf http://www.inf.ufsc.br/~guntzel/isd/isd5.pdf
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