Introdução ao Laboratório Digital

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1 Introdução ao Laboratório Digital Versão 2014 RESUMO Esta experiência tem como objetivo um contato inicial com o Laboratório Digital. Ao final da experiência, os alunos terão conhecimento sobre os procedimentos a serem realizados a cada experiência, regras de conduta no Laboratório Digital e outras informações acadêmicas da disciplina (critérios de aproveitamento, horários de aula, etc). OBJETIVOS Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: Informação geral do desenvolvimento das atividades relativas à disciplina; Instrumentação de bancada (fonte de alimentação, multímetro, osciloscópio, etc); Ferramentas de projeto em captura esquemática; Montagem no painel de montagens experimentais; Documentação de projetos; Estudo de um circuito simples. 1. INTRODUÇÃO O Laboratório Digital é uma disciplina prática cujo conteúdo programático tem relação com as disciplinas teóricas PCS2215 (Sistemas Digitais I) e PCS2012 (Sistemas Digitais II). Desta forma, cada aula envolve a aplicação de um conceito já estudado em uma destas disciplinas de forma a complementar a formação dos alunos com uma visão prática e experimental. As experiências envolvem o projeto e a montagem de um circuito digital, que posteriormente devem ser analisado para estudar ou verificar algum conceito (como por exemplo, condições limites de funcionamento) Informações Gerais da Disciplina Os objetivos da disciplina, conforme constam na ementa, são: Familiarização com instrumentação de bancada; Observação prática e montagem de dispositivos de eletrônica digital; Treinamento em depuração; Treinamento de trabalhos em grupo. As aulas do Laboratório Digital constam de projetos e montagens experimentais, envolvendo conceitos de Projeto Lógico Digital, componentes digitais e metodologias de projeto. As atividades discentes envolvem: Projeto de circuitos digitais (preparação para as experiências); Preparação das documentações pertinentes (planejamento, cartas de tempo, diagramas lógicos, códigos em HDL, etc); Montagem e depuração do(s) circuito(s) projetado(s); Elaboração de um relatório final da experiência Passos a serem Executados a Cada Experiência A cada aula de Laboratório Digital, será realizada uma experiência. Para isto, cada equipe deve realizar as seguintes atividades, divididas em etapas: Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 1

2 I. Atividades realizadas antes do laboratório: 1. Obter a apostila da experiência na página Internet do curso; 2. Elaborar os projetos solicitados para a experiência; 3. Documentar os projetos no formato padrão do curso; 4. Detalhar os procedimentos experimentais previstos para o laboratório; 5. Redigir o planejamento da experiência. II. Atividades realizadas durante a aula de laboratório: 6. Efetuar os procedimentos experimentais planejados anteriormente pela equipe; 7. Anotar os resultados experimentais obtidos na bancada; 8. Analisar os resultados obtidos; 9. Responder as questões e elaborar as conclusões da experiência; 10. Redigir o relatório, com base no planejamento e resultados experimentais. 2. REGRAS DA DISCIPLINA 2.1. Turmas de Laboratório Os alunos são divididos em turmas, cada qual com até 5 grupos de até 3 alunos cada, totalizando um máximo de 15 alunos por turma. Casos excepcionais devem ser autorizados pelo coordenador do curso Horários da Aula As turmas de Laboratório Digital estão alocadas em dois horários de aula, a saber: Segunda-feira: 8h20 às 12h00, e Quarta-feira: 8h20 às 12h00. Qualquer alteração de horário deve ser realizada de acordo com a turma, o professor responsável e o coordenador da disciplina. Não é possível mudar o horário das aulas durante o período letivo, ou seja, os alunos devem participar das aulas na respectiva turma em que estiver matriculado Local das Experiências de Laboratório Todas as aulas se utilizarão do laboratório localizado na sala C1-17, andar térreo. A sala é dividida em dois conjuntos de 5 bancadas, cada conjunto constituindo uma turma. No dia da primeira aula os alunos de cada turma ocuparão as bancadas em grupos de até 3 elementos e deverão utilizar a mesma bancada em todas as experiências 2.4. Critério de Aproveitamento O cálculo da nota de aproveitamento do Laboratório Digital é baseado nas notas de procedimentos experimentais (experiências e provas) a serem realizadas ao longo do semestre e segue um procedimento descrito abaixo. Inicialmente, a nota de aproveitamento é calculada da seguinte forma: onde: A = nota de aproveitamento; ME = média das notas das experiências; MP = média ponderada das notas das provas práticas. Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 2

3 A nota de cada experiência E i é definida pelo seguinte critério: E i = k i. (planejamento + desempenho experimental + relatório) O item planejamento tem pontuação de 0 a 3 e avalia o procedimento de preparação da experiência por parte do grupo. O item desempenho experimental diz respeito à avaliação do aluno com relação às atividades práticas realizadas em laboratório e tem valor de 0 a 5. Os resultados da experiência são elaborados e analisados no item relatório que somam de 0 a 2. Cada aluno será avaliado pelo professor, embora as atividades experimentais sejam desenvolvidas em grupo. Um fator de aproveitamento k i é atribuído individualmente a cada experiência, com valor entre 0 e 1. Caso o aluno se atrasar mais de 30 minutos, será atribuída uma nota zero à respectiva experiência. Caso desejar, o aluno pode participar da aula, mas a nota será mantida Planejamento e Relatório O planejamento deve constar do projeto elaborado pelo grupo, uma descrição do seu funcionamento e de um detalhamento dos procedimentos a serem executados em laboratório. O relatório é composto basicamente pelo planejamento, acrescentado pelas anotações dos resultados experimentais obtidos ao longo da aula e pelas análises dos resultados e conclusões destas análises. Maiores detalhes sobre planejamento e relatório devem ser obtidos na página Internet do curso, no link Documentação de Aula Regras de Conduta São descritas abaixo algumas regras de conduta, que devem ser seguidas por todos os alunos: a) Cada bancada será utilizada por um grupo de até 3 alunos. b) Os alunos que compõem cada grupo não serão os mesmos ao longo do período letivo, sendo designados pelo professor responsável pela turma. Esta regra visa uma melhor interação entre os alunos da turma. c) Dado o número de pessoas em atividade no laboratório, deverá ser evitada a visita de outros alunos aos que estejam realizando a experiência. d) Por se tratar de trabalho em grupo, será exigida pontualidade de cada aluno para o início das experiências conforme o horário programado para cada turma. O não cumprimento do horário implicará em penalidade na avaliação do aluno. Além da penalização, não será permitida a entrada no laboratório de aluno que se apresente com atraso superior a 30 minutos. e) Na data e horário previstos para a realização da experiência, logo no seu início, cada grupo deverá apresentar, ao professor responsável pela turma, um planejamento. Esse documento deve ser o resultado de uma reunião prévia entre os integrantes do grupo, e deverá conter a organização prevista para a execução da experiência. No ato de sua apresentação ao professor, o planejamento será avaliado, e a nota resultante será atribuída ao todos os elementos do grupo que o tenham assinado. No caso de experiência que requeira um projeto, tal projeto deverá fazer parte do planejamento. Neste planejamento deverão ainda constar previsões de resultados para facilitar a avaliação do experimento f) No decorrer das experiências deverão ser anotadas as observações e medidas obtidas. g) Os documentos apresentados para as experiências deverão ser originais. h) Não jogar fora nenhum circuito integrado, fio, jumper ou outro componente usado pelo grupo. Em caso de defeito ou problema, deixar o componente suspeito na bancada central para ser examinado pelos técnicos do laboratório. i) Se algum equipamento apresentar defeito, chamar o professor ou técnico responsável para providenciar a troca, relatando o defeito apresentado. j) O planejamento com as anotações realizadas durante a experiência e análise dos resultados deve ser entregue no final da aula. Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 3

4 k) Ao término de cada experiência a bancada deve ser arrumada e limpa. Os componentes, fios e acessórios deverão ser separados de forma organizada. Não se deve escrever nas bancadas e nem nos painéis. O desrespeito a essas normas poderá acarretar em punição (pela nota) ao grupo. l) As experiências somente poderão ser realizadas nos dias e horários previamente programados para cada grupo. Não haverá reposição de experiências. m) Na eventualidade do aluno não poder comparecer em uma das provas práticas, este deverá comunicar ao seu professor a causa desta ausência e se inscrever na Secretaria do PCS para realizar uma prova substitutiva. A justificativa deve ser acompanhada de um atestado ou outro documento que apresente a causa. n) Todas as dúvidas deverão ser apresentadas ao professor e/ou ao coordenador do curso. 3. PARTE EXPERIMENTAL As atividades experimentais são descritas nesta seção da apostila e devem ser realizadas no Laboratório Digital. Um relatório descrevendo as atividades realizadas e os resultados obtidos devem ser anotados e, ao final, uma análise dos dados e possíveis conclusões devem ser incluídas no texto Familiarização com os Equipamentos de Bancada Inicialmente é preciso a familiarização dos recursos disponíveis na bancada do Laboratório Digital a serem usados pelos grupos na realização das experiências. O painel de montagens experimentais será usado para a montagem dos circuitos digitais, com auxílio dos equipamentos da bancada. a) Utilize o texto que descreve o "Dispositivo para Montagens Experimentais" e procure familiarizar-se com ele. Este dispositivo, também conhecido como Painel de Montagens, é bastante similar ao utilizado na disciplina PSI-2221 (Práticas de Eletricidade e Eletrônica I). Faça uma inspeção visual do painel e elabore uma descrição dos recursos disponíveis ao aluno no painel. (DICA: use uma tabela com as colunas: recurso, descrição, quantidade, etc.) Recurso Descrição Quantidade Identificação Chaves Chaves para entrada de valores digitais 8 C0 a C7 Leds b) Localize os seguintes equipamentos na bancada: fontes de alimentação, osciloscópio digital, multímetro digital, gerador de funções, etc. Procure se familiarizar com eles, principalmente com os controles e sinais de entrada e saída. Elabore uma lista com os equipamentos disponíveis na bancada (DICA: elabore tabela com função, fabricante, modelo). Equipamento Fabricante Modelo Osciloscópio digital de 2 canais Tektronix TDS Estudo de um Circuito Digital Neste item será estudado o comportamento de um circuito digital simples. Este circuito combinatório, apesar de simples, realiza uma função lógica que pode ser aplicada em circuitos reais. c) Considere um circuito lógico especificado pela tabela verdade da figura 3.1. Determine a equação lógica para a saída Y. Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 4

5 A B C Y Figura 3.1 Tabela verdade do circuito lógico a ser estudado. d) Estude a função lógica do circuito. Há alguma característica relevante? e) Desenhe um diagrama esquemático da implementação deste circuito usando somente portas lógicas de até duas entradas. Quantas portas lógicas são necessárias? f) Apresente uma aplicação prática para este circuito Implementação com Circuitos Integrados SSI Um circuito lógico pode ser implementado usando circuitos integrados SSI da família 74. Neste item, o circuito da figura 3.1 deve ser implementado usando somente portas lógicas AND e OR de duas entradas. g) Antes de efetuar a montagem do circuito, consulte os manuais dos componentes 7404 (inversor), 7408 (AND) e 7432 (OR). Liste os sinais dos pinos dos circuitos integrados. h) Elabore (manualmente em uma folha de papel) um diagrama lógico de um circuito digital que implemente o circuito lógico da figura 3.1 usando somente a porta inversora (7404) e as portas com 2 entradas (7408, 7432). Quantas portas lógicas são necessárias? 3.4. Ferramenta de Projeto e Simulação Uma vez que o projeto lógico de um circuito é realizado, seu funcionamento e correção podem ser verificados através de ferramentas de projeto e simulação. Neste item usaremos a ferramenta de software Altera Quartus II. i) Usando o sofware Altera Quartus II, elabore um projeto que verifique o funcionamento do circuito projetado no item 3.3.h. DICA: Siga os passos apresentados pela documentação para o desenvolvimento do projeto, compilação e simulação do circuito. Consulte a apostila Tutorial para Criar e Simular Circuitos Digitais no Altera Quartus II versão 9.1 sobre como usar o software Altera Quartus II. j) Apresente no relatório as saídas das simulações dos projetos, junto com os diagramas esquemáticos dos circuitos analisados Montagem Experimental Finalmente, após verificar que o circuito projetado está correto, deve-se executar a montagem do projeto no painel de montagens experimentais e sua verificação experimental. Detalhamento do circuito k) Com base nas informações dos pinos dos circuitos integrados 7404, 7408 e 7432, acrescente a numeração dos pinos ao diagrama do item 3.3.h. Acrescente também informação sobre a localização do circuito integrado no painel de montagens experimentais. Montagem do circuito l) Procure a localização das chaves C0, C1 e C2 e do led L0 no painel de montagens. Use as chaves para ligar, respectivamente, as entradas A, B e C e conecte o led L0 na saída Y. m) Realize a montagem do diagrama anotado com a numeração dos pinos realizada no item 3.5.k. Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 5

6 Procedimento experimental Neste item devem ser realizadas atividades de teste do circuito montado e, se for encontrado um erro, atividades de depuração de forma a encontrar a fonte deste erro. n) Varie os valores das chaves e anote o valor observado na saída Y do circuito para cada combinação de valores de entrada. (DICA: use uma tabela similar à Tabela Verdade do circuito). o) Compare os resultados experimentais obtidos com os valores da tabela verdade. Os valores experimentais foram consistentes com os valores esperados? Depuração do circuito p) Se houver discrepância entre os valores experimentais e os valores teóricos, execute a depuração da montagem. DICA: escolha sinais de depuração para verificar valores intermediários do circuito. q) Depois de corrigir o erro encontrado, execute mais uma vez a verificação do funcionamento do circuito do item 3.5.n Desafios Neste item, serão propostas algumas atividades adicionais para complementar os tópicos estudados na experiência. É possível otimizar o circuito projetado de forma a minimizar algum critério de otimização. Por exemplo, pode-se adotar o critério de minimizar o número de componentes usados no projeto. Consideraremos aqui o multiplexador r) Apresente o diagrama esquemático de um circuito otimizado para usar um número mínimo de componentes usando o multiplexador DICA: consulte o manual do circuito integrado (multiplexador 8x1). s) Execute a montagem, testes e depuração do circuito otimizado. t) Discuta as diferenças entre os circuitos dos itens 3.3.h e 3.6.r? u) Estude o comportamento do circuito digital abaixo. Descreva seu comportamento no relatório. Figura 3.2 Circuito do desafio Atividades Pós-Laboratório Ao final das atividades experimentais, algumas perguntas deverão ser respondidas a respeito dos tópicos estudados. v) Com base nos resultados obtidos, responda as perguntas abaixo. 1. Como é possível verificar se os pinos de alimentação (VCC e GND) dos circuitos integrados no painel de montagens experimentais estão conectados e, em caso afirmativo, conectados de forma correta? 2. Na montagem experimental de hoje, que sinais de depuração podem ser definidos para verificar o funcionamento correto do circuito projetado? 3. Quantos circuitos integrados foram necessários para projetar o circuito usando portas lógicas? Quantas ligações foram necessárias? 4. Quantos circuitos integrados foram necessários para projetar o circuito usando o multiplexador? Quantas ligações foram necessárias? 5. As atividades de teste e de depuração são distintas. Cite duas características de cada uma delas. Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 6

7 4. BIBLIOGRAFIA BÁSICA DA DISCIPLINA Neste item são apresentadas as referências bibliográficas úteis para um estudo complementar do tema abordado e realização da experiência. Apostilas da disciplina. Manuais de componentes digitais. ALTERA. Quartus II Introduction Using Schematic Design. September ASHENDEN, P.J. The VHDL cookbook (disponível na Internet) FREGNI, E. e SARAIVA, A.M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: Conceitos e Prática. Editora Edgard Blücher Ltda, MENESES, M. P.; SATO, L; M; MIDORIKAWA, E. T. Tutorial para criar e simular circuitos digitais no altera Quartus II versão 9.1. Apostila de Laboratório Digital, PCS, Escola Politécnica da USP TOCCI, R. J.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Prentice-Hall, 11 a ed., WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4 th edition, Prentice Hall, MATERIAL DISPONÍVEL Neste item serão apresentados os materiais disponíveis para a realização da experiência. Materiais não listados aqui podem não estar disponíveis no Laboratório Digital. Circuitos Integrados TTL: 7404, 7408, 7432, 7486, EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS Tem-se aqui uma lista de equipamentos que são necessários para a realização da experiência e que estarão disponíveis no Laboratório Digital. 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa +5V. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 computador com software Altera Quartus II. Histórico de Revisões E.T.M. / 2012 (revisão) E.T.M. / 2013 (revisão) E.T.M. / 2014 (revisão) Introdução ao Laboratório Digital - quadrimestral (2014) 7