(LABORATÓRIOS L1 E L2)

Transcrição

1 TRABALHO DE LABORATÓRIO I FUNÇÕES COMBINATÓRIAS (LABORATÓRIOS L1 E L2) 1. INTRODUÇÃO Pretende-se que os alunos compreendam e apliquem a metodologia usada na síntese e concretização de funções combinatórias, utilizando circuitos integrados disponíveis comercialmente. Este trabalho é considerado para avaliação de conhecimentos. No início da aula cada grupo impreterivelmente apresentará a resposta a todas as questões referentes à preparação prévia do enunciado e ainda o esquema completo da montagem a efetuar e a lista completa do material a requisitar. De forma a facilitar a elaboração do laboratório, sugere-se que a preparação esteja já redigida no formato do relatório. O relatório deverá seguir a estrutura e regras indicadas no anexo B e ser preparado atempadamente, contendo um máximo de 15 páginas (2 val. de penalização por cada página adicional), incluindo capa, introdução (breve) e conclusões. Os alunos deverão trazer para a aula de laboratório a secção correspondente ao projeto do circuito digital; a secção correspondente à montagem deverá ser preparada durante a aula de laboratório. O relatório deverá ser revisto e entregue até às 23h59m de sexta-feira, dia 31 de Outubro de DESCRIÇÃO DO CIRCUITO COMBINATÓRIO A. SEQUÊNCIA DE NÚMEROS (semana 1) Considere que pretende desenvolver um circuito capaz de realizar a sequência de números indicada na Figura 1. Assim, por exemplo, sempre que introduzir o número 1 na entrada do circuito (ver Figura 2), este deverá indicar o número 3 à saída; sempre que introduzir o número 3 na entrada, a saída deverá ser 2; actual Gerador de sequência seguinte Figura 1 - Sequência de números a realizar. Figura 2 - Circuito a desenvolver no laboratório 1 Adicionalmente, sempre que for introduzido um número maior que nove à entrada do circuito (excetuando o 12), este deverá indicar na saída o valor V, o qual é determinado da seguinte forma: (1) Verifique qual o número de aluno dos elementos do grupo que tem menor valor; se o grupo for constituído por apenas um elemento, deverá considerar apenas o seu número de aluno. (2) O valor de V é dado por: v = 2 a 0, onde a 0 corresponde ao símbolo menos significativo do número determinado em (1), quando este número está representado em base 4. 1 P á g i n a

2 Por exemplo, para um grupo formado pelos alunos com número e o valor de V é dado por 2 3 =8, já que 77647= (4). B. ESTADO DA SEQUÊNCIA (semana 2) Na segunda semana (laboratório 2) deverá ainda ser realizado um segundo circuito (independente) o qual dá uma indicação do estado atual da sequência. Para isso deverá considerar a introdução de duas entradas adicionais de controlo, tal como indicado na Figura 3. atual GERADOR DE SEQUÊNCIA (semana 1) seguinte Controlo (i 1,i 0 ) ESTADO DA SEQUÊNCIA (semana 2) Estado da sequência Figura 3 - Circuito a projetar na semana 2. De acordo com as entradas de controlo, o circuito a projetar deverá indicar à saída, sinal g, o seguinte valor: Entradas de controlo (i1,i0) Função realizada Estado da sequência (valor do sinal g) 00 f0 0 se for o valor atual for menor que 9 e estiver fora da sequência da Figura 1; caso contrário deverá ser 1 01 f1 1 se o valor atual corresponder ao valor V, tal como determinado na primeira semana de laboratório ( 0 caso contrário) 10 f2 1 se o valor atual da sequência for uma potência de 2 ( 0 caso contrário) 11 f3 1 se o valor atual da sequência for zero ( 0 caso contrário) 3. CÁLCULO DO PRÓXIMO VALOR DA SEQUÊNCIA (SEMANA 1) A. PREPARAÇÃO PRÉVIA Projete o circuito que realiza apenas a sequência descrita na secção 2.A, indicando: 1. O valor do número V. 2. O número mínimo de bits à entrada e saída do circuito de forma a representar todos os números da sequência. 3. A tabela de verdade das funções que implementam o circuito pretendido. 4. As expressões mínimas das funções lógicas na forma disjuntiva (soma de produtos) e na forma conjuntiva (produto de somas). 5. As expressões das funções lógicas dos circuitos que realizem a função indicada utilizando apenas as portas lógicas NOT, NAND2, NAND3, NOR2 e NOR3. Apresenta as funções correspondentes à 2 P á g i n a

3 forma disjuntiva e conjuntiva, indicando o número de portas lógicas necessárias. Em todos os casos, obtenha a expressão que reduz o número de portas lógicas. 6. O diagrama lógico do circuito que realiza o gerador da sequência, utilizando o número mínimo de portas lógicas, considerando apenas portas NOT, NAND2, NAND3, NOR2 e NOR3. Se achar conveniente, pode realizar quaisquer operações algébricas adicionais de forma a reduzir o número de circuitos e portas lógicas. 7. De forma a implementar fisicamente o circuito deverá utilizar vários circuitos integrados. A lista de circuitos integrados existentes no laboratório e respetivos datasheets estão disponíveis na página da disciplina, secção Aulas de laboratório, em catálogos de componentes. I. Indique quais os circuitos integrados que irá necessitar para implementar o circuito gerador de sequência. III. II. Transforme o diagrama lógico obtido num esquema elétrico. Para obter este esquema deverá acrescentar ao diagrama lógico as seguintes anotações: para cada porta lógica, indicar o circuito integrado a utilizar (nome e referência); para cada entrada/saída de cada porta lógica, indicar o pino do circuito integrado. Na implementação do circuito, minimize o custo do circuito, tomando em consideração o preçário indicado na Tabela 1, o qual toma em consideração o número de transístores requeridos por porta lógica. No cálculo do preço do circuito, exclua as portas lógicas não utilizadas de um circuito integrado. Tabela 1 Preçário dos circuitos. Para realização do laboratório 1 não é permitida a utilização de descodificadores e multiplexers. Descrição Custo por unidade Circuito integrado 20 Porta NOT 2 Porta AND2 6 Porta NAND2 4 Porta OR2 6 Porta NOR2 4 Porta AND3 8 Porta NAND3 6 Porta OR3 8 Porta NOR3 6 Multiplexer n:1 2+6n Descodificador n:2 n Por exemplo, um circuito com 2 portas NOT, 5 portas NAND2 e 1 porta NAND3, requer quatro circuitos integrados (CIs), nomeadamente: 8n 1x 74LS04, contendo 6 portas NOT 2x 74LS00, cada um contendo 4 portas NAND2 1x 74LS10, contendo 3 portas NAND3 Assim o custo do circuito é dado por: custo = CIs NOT NAND NAND3 3 P á g i n a

4 B. REALIZAÇÃO DA MONTAGEM (AULA DE LABORATÓRIO) A partir do esquema elétrico monte o circuito projetado. Para fazer a montagem comece por inserir os circuitos integrados na breadboard da base de montagem. Tenha em atenção os diferentes métodos utilizados para identificar o pino 1 de cada circuito integrado (recorte semicircular ou pequeno ponto junto ao pino 1). Oriente os circuitos integrados de modo a que o pino 1 fique no canto superior esquerdo. Tenha ainda em atenção que todos os circuitos integrados necessitam de ser alimentados para funcionarem corretamente. Na utilização da breadboard (e por conseguinte na realização da montagem) tenha em atenção a existência de diversas pistas horizontais. As pistas na parte superior e inferior da breadboard destinam-se às linhas de alimentação (+5V e massa). As pistas na zona central da breadboard, com as quais os pinos dos circuitos integrados irão fazer contacto após a sua inserção, destinamse a efetuar as ligações entre as diferentes portas lógicas. Note que deve ainda efetuar as ligações das entradas do circuito aos interruptores existentes na base de montagem e ligar as saídas do circuito aos indicadores lógicos também disponíveis na base. (a) Breadboard. (b) Montagem exemplo. O uso de fios de dimensão reduzida diminui a complexidade da montagem e facilita o teste e a correção de erros. Figura 4 - Placa usada no laboratório para montar e testar o circuito projetado. 1. UTILIZAÇÃO DA PONTA DE PROVA Ligue os terminais de alimentação da ponta de prova à fonte de alimentação (terminal vermelho: 5V; terminal preto: 0V). Ligue a base de montagem. Observe o que acontece com a ponta de prova quando ela toca nos 5V, na massa e quando fica "no ar". Usando um fio pequeno como auxiliar, observe com a ponta os níveis lógicos num interruptor nas suas duas posições. Indique o que observou no relatório. Nunca force a introdução da ponta de prova nos buracos da breadboard. Não só não tem garantia do resultado (mesmo que haja contacto com o metal interno, este não é fiável), como degrada a breadboard. 2. TESTE DO CIRCUITO Valide experimentalmente as funções do circuito, preenchendo uma tabela de verdade com os valores esperados e os valores observados experimentalmente. Caso o circuito não funcione, siga a metodologia indicada no Anexo A para detetar a(s) falha(s). 4 P á g i n a

5 4. CÁLCULO DO ESTADO DA SEQUÊNCIA (SEMANA 2) A. PREPARAÇÃO PRÉVIA Projete o circuito que concretiza a funcionalidade especificada. Utilize o mínimo de circuitos integrados, considerando descodificadores, multiplexers e o mínimo de lógica adicional (ver Tabela 1). Inclua no relatório (e mostre ao docente no início da aula de laboratório): A descrição do circuito a projetar. O diagrama lógico e o esquema elétrico do circuito, assim como a descrição sucinta dos passos que tomou de forma a chegar ao circuito final. Sugestão: para garantir que não tem erros de projeto, após desenhar o esquema elétrico, faça a tabela de verdade do circuito e verifique se o valor da função está de acordo com o valor esperado. B. REALIZAÇÃO DA MONTAGEM (AULA DE LABORATÓRIO) A partir do esquema elétrico monte o circuito projetado. Para tal deverá: 1. Ligar as entradas do circuito a n 1,, a 1, a 0, correspondentes ao estado atual, aos interruptores; 2. Ligar as saídas das funções f 3, f 2, f 1, f 0, g aos LEDs. Apresente no relatório as tabelas de verdade correspondentes às funções f 0 (a n 1,, a 1, a 0 ), f 1 (a n 1,, a 1, a 0 ), f 2 (a n 1,, a 1, a 0 ), f 3 (a n 1,, a 1, a 0 ) e g(f 3, f 2, f 1, f 0, i 1, i 0 ) do circuito projetado indicando o valor esperado e o valor obtido experimentalmente. 5. AVALIAÇÃO DO TRABALHO DE LABORATÓRIO Na avaliação do trabalho de laboratório será tido em conta as seguintes componentes: (40%) Preparação prévia do trabalho (secções 3A e 4A). (40%) Montagem, teste do circuito e resposta às questões da secção 3B. (10%) Estrutura, apresentação e qualidade do relatório. O relatório deverá seguir ainda o conjunto de regras indicadas no Anexo B. 5 P á g i n a

6 ANEXO A DETEÇÃO E CORREÇÃO DE ERROS DE MONTAGEM As falhas mais frequentes na realização de uma montagem podem ser classificadas em: a. entrada/saída em aberto (por exemplo, resultante de uma ligação por um fio defeituoso); b. curto-circuito a Vcc (+5V) ou GND (0V); c. curto-circuito entre pinos (por exemplo, resultantes de erros de montagem). Após verificar que todas as ligações efetuadas estão de acordo com o seu projeto, use a ponta de prova lógica que lhe é fornecida para: 1. Verificar as alimentações de todos os circuitos integrados (Vcc e GND). 2. Detetar quais as combinações de entrada para as quais a saída não é correta. 3. Forçar o circuito para uma situação de erro, selecionando uma das combinações de entrada para a qual a saída não é correta. 4. Percorrer o circuito ponto-por-ponto, no sentido da saída errada para as entradas que a vão sistematicamente antecedendo (para cada ligação verifique se os valores lógicos nos dois extremos da ligação coincidem). 5. Tendo localizado a origem do erro, corrija-o. Verifique a existência de outros erros. Se necessário regresse ao ponto 2. ANEXO B ESTRUTURA DO RELATÓRIO O relatório deverá usar o seguinte conjunto de regras: Páginas: Máximo de 15 páginas A4, incluindo uma página de capa com a indicação do turno de laboratório, do nome do docente responsável pelo turno, e do nome e número dos elementos do grupo. Páginas numeradas, preferencialmente com cabeçalho, e margens não inferiores a 2cm. Letra da família sans-serif (Arial, Verdana, Helvetica, Tahoma, Cambria, Calibri ou Trebuchet MS). Não deverão ser usadas fontes das famílias cursive ou fantasy, excepto para representar símbolos. Pode, se desejar, usar uma fonte da família monospace (ex.: Courier) para indicar sinais físicos. Tamanho da letra de fácil leitura e nunca inferior a 10pt. Figuras e tabelas: As figuras (p. ex.: esquemas) poderão ser feitos num programa de edição de imagens (p. ex.: MS Visio, Omnigraffle, Inkscape,...) ou manuscritas, digitalizadas (com scan ou máquina fotográfica/telemóvel) e inseridas nos espaços correspondentes do relatório. No entanto as figuras deverão estar em estado apresentável (limpas, sem rabiscos ou rascunhos, facilmente percetíveis e com tamanho de letra não inferior à do relatório). As figuras deverão ser necessariamente enumeradas, acompanhadas de legenda e ser referenciadas no texto. 6 P á g i n a

7 Submissão do ficheiro no Fénix: O relatório deverá ser submetido em formato PDF, usando o conversor do editor de documentos (p. ex. do MS Word) ou através de uma impressora de PDF (p. ex.: PDF995). Cabe aos alunos confirmar que o ficheiro foi corretamente submetido no sistema fénix, devendo para isso fazer download do ficheiro submetido e abrir com o Adobe Acrobat Reader. A submissão deverá ser feita até às 23h59m de Sexta-Feira, dia 31 de Outubro de 2014, no link correspondente à entrega regular. Caso pretendam, os alunos poderão entregar uma nova versão depois do prazo indicado, usando o link correspondente à entrega fora de prazo. Nesse caso sofrerão uma penalização de 2 valores por cada dia de atraso. Caso sejam submetidos múltiplos ficheiros, apenas será tomado em consideração o último ficheiro submetido. O não cumprimento das regras será penalizado na nota final do laboratório (ex: penalização de 2 valores por página adicional). O relatório deverá ainda ter a seguinte estrutura: 1. INTRODUÇÃO Breve introdução aos objetivos do trabalho realizado. 2. PROJETO Respostas às perguntas referentes à preparação do trabalho (secções 3A e 4A, incluindo esquemas lógicos, mas excluindo esquemas elétricos), o qual deverá incluir todos os passos de projeto até à obtenção do esquema lógico final. 3. IMPLEMENTAÇÃO, MONTAGEM E TESTE Otimizações aos circuitos de forma a reduzir o custo dos mesmos e ainda o esquema elétrico resultante dos circuitos projetados. Adicionalmente inclua as respostas às perguntas da Secção 3B do enunciado e a análise e discussão dos resultados experimentais. 4. CONCLUSÕES Comentário final acerca do trabalho realizado e dos resultados obtidos experimentalmente. Adicionalmente está disponível na página da disciplina um template de relatório, o qual inclui ainda algumas notas não relevantes para a avaliação. Recomenda-se que os alunos se baseiem nesse documento, realizando uma análise crítica de forma a eliminarem e/ou acrescentarem informação que achem necessária para o desenvolvimento do trabalho. De notar que a cópia do texto e respetivas justificações presentes no template de relatório corresponde a uma nota de zero valores. Será igualmente dada uma nota de zero valores a grupos com o mesmo trabalho (ex: relatórios iguais). 7 P á g i n a