Disciplina: Laboratório de Circuitos Digitais. 2ª Prática: Decodificador Display 7 Segmentos

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1 Universidade Federal de São Carlos Disciplina: Laboratório de Circuitos Digitais Prof. Dr. Emerson Carlos Pedrino 2ª Prática: Decodificador Display 7 Segmentos Data: 27/03/2014 Nome: Adrián Agüero Faraldo RA: Introdução O seguinte trabalho é um relatório dos fatos realizados nas aulas do dia 27 de março do Onde foi presentada o conjunto de LEDs de 7 segmentos do PLD da família ALTERA e o uso do decodificador para este último dispositivo. A primeira prática consistiu em conhecer como utilizar o decodificador para representar números no Display de 7 segmentos, utilizando as ferramentas de desenho gráfico, simulação do projeto e finalmente executar-lo na placa. A tarefa foi implementar um circuito que gera o mensagem LCD1 nos 1

2 LEDs de 7 segmentos e de apouco quando subimos as chaves como se foram um contador binário que os displays trocam aos seguintes mensagens: _LCD, LC, L e. Materiais utilizados Altera Cyclone II: é um FPGA (Field Programmable Gate Array) de baixo costo, é dizer, é um dispositivo semicondutor que contem bloques lógicos inter-conetados e sua funcionalidade pode ser configura mediante um linguaje de descrição de hardware. A lógica programável pode realizar desde funções tão sencilhas como las levadas por uma porta lógica o um sistema combinacional hasta complexos sistemas em um chip. Quartus II: é uma ferramenta de software produzida pela Altera para o análises y la sínteses de desenhos realizados em HDL. Desenvolvimento Utilização do decodificador e do LED de 7 segmentos 1. Criar um novo projecto na plataforma Quartus II Para criar um novo projecto deve-se seguir os seguintes passos. Pressionar File -> new -> new proyect no menu do programa. Aparecera uma ventana de dialogo com 5 passos. Na primeira deve-se selecionar o diretório onde ficara o projecto e escrever sua nome. Na segunda, pressionamos seguinte. Na terceira deve-se selecionar a família do dispositivo e seu nome. Em nosso caso é Cyclone II e EP2C70F672C7. Esta informação está na placa no chip principal. Pressionar seguinte para todas as paginas seguintes. Pressionar finalizar 2. Desenhar o circuito Existem dois tipos de LEDs de 7 segmentos o chamado catodo comum e o ânodo comum. Ambos com 7 entradas onde cada entrada representa um led conhecidos como LEDs a, b, c, d, e, f, g como na figura. 2

3 A diferencia entre ambos é o sentido de polarização dos LEDs. Para desenhar um novo circuito deve-se pressionar Arquivo -> novo -> Diagrama de bloque Logo fazer dois click na área de trabalho e aparecera uma ventana onde pode-se procurar os componentes que precisamos. Para nosso caso, usaremos sete portas not, (porque nossa placa usa LEDs de catodo comum), quatro pinos de entrada (para representar los dez números decimal da unidade) e sete pino de saída (para o LED de 7 segmentos) e um decodificador chamado Movendo os componentes e juntando-los devera ficar assim: Note que os componentes NOT são colocados antes da saídas e não é preciso colocar as entradas GND nem VCC. O decodificador Binário - Decimal para Display de 7 Segmentos, é um chip que substitui o circuito em la figura de arriba à esquerda. Onde as entradas são números em binário e as saídas são os LED que devem estar ligados. A entrada Blanking (BI) deve ser aberta ou mantida em um nível lógico alto quando as funções de saída de 0 a 15 são desejados. Quando um nível lógico baixo é aplicado diretamente à entrada Banking (BI), todas as saídas do segmento são baixos, independentemente do nível de qualquer outra entrada. 3. Compilar programa. Para compilar o programa deve-se pressionar as teclas ctrl + L 3

4 4. Colocar nomes aos pinos Para colocar os nomes aos pinos, deve selecionar só uma entrada ou saída e colocar seu nome correto para o sistema. Para nosso trabalho os pinos de entrada são sw[numero] e para as saídas HEX0[numero]. 5. Cargar arquivo dos pinos Para que o software identifique a placa que estamos utilizando temos que cargar o arquivo de pinos, então selecionamos a opção Assignments -> Importar assignments, logo procuramos nosso arquivos de pinos dentro de nossa computadora e pressionamos aceitar. Compilamos de novo, como no passo Desligar Displays não utilizados Para desligar os display não utilizados devemos seleccionar as opções Assignments -> Device -> Device and Pin Options -> Unused Pins -> As inputs tri-stated Esta opção permite reservar todos os pinos não utilizados no dispositivo de destino em um dos cinco estados: a) Como entradas que são tri-estados b) Como saídas que conduzem a terra, c) Como saídas que conduzem a uma senal inespecífica, d) Como entrada tri-estados com bus-hold, e) Ou como entrada tri-estados com um pull-up débil. Lógica de três estados: As portas lógicas com saídas tri-estados permitem a geração de valores de 0, 1 ou Z. Uma saída Z pode ser considerada como uma saída desconectada do resto do circuito, pois se apresenta em um estado de alta impedância. Bus-holder: O circuito é basicamente um elemento de atraso com a saída ligada para trás da entrada através de uma impedância relativamente alta. Isso geralmente é conseguido com dois inversores conectados costas a costas. O resistor controla o bus levemente; portanto, outros circuitos pode substituir o valor do bus quando eles não estão em modo de tri-estado. 4

5 7. Simulação do circuito Para simular o circuito devemos seguir os seguintes passos: Ir para file -> novo -> vector waveform Insertar as entradas e saídas fazendo click direito sobre a pantalha de simulação e logo pressionar a opção insertar, uma vez aqui, pressionamos listar e agregar todos os pinos. E aceitar. Apos isso, agregamos as sequência de entradas com respeito ao tempo para o circuito, para isso selecionamos a ferramenta forma de onda e arrastre o mouse sobre a linha da entrada que desejamos trocar. Em nosso exemplo quedara assim: Com entadas sw[3], sw[2], sw[1] e sw[0] (onde sw[3] é o bit prioritário) igual a De 0 a 10 ms = 0, 0, 0, 0 = 0 De 10 a 20 ms = 0, 0, 0, 1 = 1 De 20 a 30 ms = 0, 0, 1, 0 = 2 De 30 a 40 ms = 0, 0, 1, 1 = 3 De 40 a 50 ms = 0, 1, 0, 0 = 4 De 50 a 60 ms = 0, 1, 0, 1 = 5 De 60 a 70 ms = 0, 1, 1, 0 = 6 De 70 a 80 ms = 0, 1, 1, 1 = 7 De 80 a 90 ms = 1, 0, 0, 0 = 8 De 90 a 100 ms = 1, 0, 0, 1 = 9 5

6 Para executar a simulação só temos que fazer click em iniciar simulação O resultado aparecera nas linhas de saídas, em nosso caso será assim: Onde agora a saída são HEX0[0], HEX0[1], HEX0[2], HEX0[3], HEX0[4], HEX0[5], HEX0[6] e já tem os resultados da simulação e são corretos pois coincidem com os resultados precisados para formar os números decimais para um LED de polarização negativa como o ilustra a seguinte gráfica. É dizer, dependendo das posições das chaves de entrada formaremos os números em binário e estos são convertidos a uma combinação de sete senais digitais que representam um número para os display de 7 segmentos de polarização direita mas em nosso exemplo por isso invertemos os resultados de saída do chip 9447 porque nosso display de 7 segmentos são de polarização negativa. 6

7 7. Executar desenho na placa. Finalmente para executar nosso desenho dentro da placa temos que selecionar a opção ferramentas -> programar. Selecionar nossa placa se estão instalados os drivers da placa. Se não temos que ir para administradão de dispositivos -> atualizar drivers do dispositivos desconhecido -> procurar o diretório onde estão os drivers da placa (estos são baixado da página web do fornecedor da placa ) -> aceitamos. Executamos a simulação, testamos se esta tudo bem. Explicar o funcionamento do CI Schmitt Trigger O circuito integrado Schmitt Trigger é um tipo especial de circuito comparador. Foi inventado por o estadounidense Otto Herbert Schmitt. Um comparador é um circuito eletrônico, analógico ou digital, capaz de comparar dois senais de entrada y variar a saída em função de qual é maior. O schmitt trigger usa la histéresis para prevenir o ruido que poderia tapar à senal original e que causaria falsos trocas de estado se os níveis de referencia e entrada são parecidos. A histéresis é a tendencia que tem um material para conservar uma de suas propriedades, em ausência do estímulo que a criou. Podemos encontrar diferentes manifestadões de este fenômeno. Por exemplo comportamentos electro-magnéticos, o los elásticos. 7

8 Diagrama esquemático - Representado pelo simbolo - Gráfica onde U senal da entrada, A senal com ruido B senal com schmitt trigger. Quando o nível de tensão de entrada é maior que um limiar escolhido, a saída está em nível alto; quando a entrada está abaixo de outro limiar, a saída está em nível baixo; quando a entrada se encontra entre os dois limiares, a saída retem o valor anterior até a entrada se alterar suficientemente para mudar o estado do disparador. O benefício de um disparador Schmitt sobre um circuito com somente um ponto limiar de entrada é uma estabilidade maior (imunidade ao ruído). Circuitos com histerese são baseados na ideia de feedback positivo fundamental: qualquer circuito ativo pode ser feito para se comportar como um disparador de Schmitt, aplicando um feedback positivo, de modo que o loop gain é mais do que um. O feedback positivo é introduzida pela adição de uma parte da tensão de saída com a tensão de entrada; portanto, estes circuitos de conter um atenuador (caixa B na figura do lado direito) e um summer (no círculo com o "+" para dentro) em adição a um amplificador agindo como um comparador. Para um exemplo do funcionamento, olhar o seguinte filme: Tarefa Implementar um circuito que gera o mensagem LCD1 nos LEDs de 7 segmentos e de apouco quando subimos as chaves, como se foram um contador binário, os LDEs devem ter os seguintes mensagens: LCD1, LCD, LC e L. Para que esto aconteça 8

9 Com esta segunda tabela (a tabela com polarização negativa) já podemos construir nosso circuito e para isso precisamos considerar só as células que contem valor 1 em cada umas das colunas, logo olhamos que configuradão de entradas geram essa saída, todas estas estariam juntas com uma porta lógica OR porque pode ser uma configuradão da entrada ou outra ou ambas. Por exemplo para a primeira coluna, fora qual fora a entrada sempre o LED a3 estará ligado então sua equação é A OR NOT A OR B ORNOT B e assim para o resto das colunas da tabela até obter o seguinte circuito: Os demais passos são os mesmos que no primeiro exercício. Compilação, Assinamento dos pinos e para a simulação temos a seguinte configurações: 9

10 Onde SW[0] e SW[1] são as entradas y tem os valores 0,0; 0,1; 1,0 e 1,1 que são os valores 0,1,2,3 mas em binário. E as 21 saídas corresponde aos 21 LEDs dentro dos 3 Display de 7 Segmentos. HEX0 para o primeiro LED, HEX1 para o segundo e assim sucessivamente. Ao executar o simulador o resultado foi: Onde podemos observar para as entradas 0,0 os valores de saída são para o primeiro display de 7 segmentos (HEX0) os valores HEX[0]=1, HEX[1]=0, HEX[2]=0, HEX[3]=1, HEX[4]=1, HEX[5]=1, HEX[6]=1 e corresponde a letra 1. Seguindo a mesma forma de interpretação observamos que nosso circuito resolve o problema de escrever LCD1 nos display e vai truncando a última letra. Abaixo o abecedário em Display de 7 segmentos. Conclusão Hoje observamos a importância da reutilização o encapsulado do circuitos facilitando assim la implementação de circuitos mais complexos. Também o análise do Schmitt Trigger demostro a importância de manteler controlado o ruido para ter uma boa senal. E finalmente 10

11 foi aprendido um poco da representação de letras em um display de 7 segmentos. Bibliografia