Departamento de Engenharia Elétrica ELE Circuitos Digitais I Experimento: Portas Lógicas

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1 1 Objetivos Departamento de Engenharia Elétrica ELE Circuitos Digitais I Experimento: Portas Lógicas Nesta aula será feita uma introdução à instrumentação básica do laboratório e serão realizados experimentos simples para familiarização com elementos discretos. 2 Introdução s portas lógicas são elementos básicos na montagem de circuitos digitais. pesar de que sua aplicação esteja diminuindo, pelo uso de FPGs e circuitos com escala de integração maiores, ainda é importante começar o estudo de circuitos digitais com as portas mais simples. 2.1 Encapsulamento e pinagem Primeiramente, é necessário entender como serão feitas as ligações dos pinos de um circuito integrado (CI). Encapsulamento; limentação; terramento; Entradas e saídas. Há vários tipos de encapsulamento de CIs. Fig. 1 e a Tab. 1 mostram alguns tipos de encapsulamento. Os encapsulamentos diferem no formato e no número de pinos. No encapsulamento DIP (Dual In-line Package), há duas fileiras de terminais no sentido longitudinal do CI. Um chanfro ou ponto num dos lados indica o pino 1, na parte superior esquerda, e a numeração aumenta no sentido anti-horário, como indica a figura. Os manuais de CIs trazem a pinagem correta, indicando os pinos de alimentação (Vcc ou Vdd), aterramento (GND), e as entradas e saídas, que dependem da função lógica implementada. lém do formato do encapsulamento, também há o efeito do espaçamento ou passo, entre os terminais do CI e a sua altura. lguns dados são fornecidos na Tab. 1. Tabela 1: lguns tipos de encapsulamento de CIs. Nome ltura [mm] Passo [mm] DIP Dual-In-line Package 5,1 2,54 SOIC Small Outline Integrated Circuit 2,65 1,27 SSOP Shrink Small Outline package 2,0 0,65 TSSOP Thin Shrink Small Outline Package 1,1 0,65 TVSOP Thin Very Small Outline Package 1,4 0,4 TQFP Thin Quad Flat Pack 1,6 0,5 LFBG Low-profile Fine-pitch Ball Grid rray 1,5 0,8 1

2 Figura 1: lguns tipos de encapsulamento de CIs (Tocci e Widmer, 2003). Na Fig. 2 tem-se a pinagem do circuito integrado 7400 (NND), onde pode-se observar os pinos de alimentação (14), terra (7), entradas e saídas para quatro portas lógicas num encapsulamento DIP de 14 pinos. Os manuais (datasheets) podem ser conseguidos em páginas da internet, como por exemplo Figura 2: Pinagem do componente 7400 ( 2.2 Características pesar de se trabalhar com o conceito de sinais digitais, na verdade os sinais aplicados às entradas e lidos nas saídas dos CIs são sinais analógicos. É interessante conhecer algumas características de portas lógicas quanto aos níveis de tensão e corrente Tensão de saída vs. Tensão de entrada Nos manuais há várias tabelas indicando alguns parâmetros de interesse quando se trabalha com portas lógicas. lgumas delas referem-se às tensões de entrada e saída para os níveis lógicos 0 e 1. Esses valores são importantes para determinar os níveis de tensão máximos e mínimosdasaídaeentradadeumaportalógica. Seestaestiver sujeitaaruídos, porexemplo, 2

3 o nível de tensão pode ser modificado, o que pode causar chaveamentos indesejados. figura 3 fornece uma relação entre a tensão de entrada e de saída de um inversor. V IH(min) : é a mínima tensão de entrada considerada como nível alto; V IL(max) : é a máxima tensão e entrada considerada como nível baixo; V OH(min) : é a mínima tensão de saída considerada como nível alto; V OL(max) : é a máxima tensão de saída considerada como nível baixo. Note que a transição não é abrupta, e o nível lógico zero, por exemplo, não corresponde exatamente à tensão de 0 V Nível UM V OH(min) Saída V OL(max) 1 Nível ZERO 0.5 V IL(max) V IH(min) Entrada Figura 3: Relação entrada-saída de um inversor Correntes de entrada e saída lém dos níveis de tensão adequados nas entradas e saídas, cada componente possui limites de corrente que pode absorver e fornecer. Isto é importante para estabelecer, por exemplo, quantas portas lógicas podem ser colocadas na saída de uma outra. Por convenção assume-se que a corrente absorvida pela porta é positiva, e a corrente fornecida pela porta é negativa. Para uma porta inversora, pode-se definir: I IL(max) : é a máxima corrente fornecida por entrada em nível baixo; I OL(max) : é a máxima corrente absorvida por saída em nível baixo; I IH(max) : é a máxima corrente absorvida por entrada em nível alto; I OH(max) : é a máxima corrente fornecida por saída em nível alto. 3

4 2.2.3 Tempo de propagação Como observado, as portas lógicas são na verdade dispositivos analógicos que apresentem formas de onda contínuas. transição do nível lógico 0 para 1 não ocorre de maneira abrupta, e isto limita a sua velocidade de operação. O tempo de propagação de uma porta lógica reflete a velocidade ou freqüência que esta pode operar, e indica o tempo que uma determinada entrada leva para produzir uma saída. Fig. 4 indica os tempos para uma configuração inversora: t PHL : é o tempo para uma entrada em nível alto produzir uma saída em nível baixo. t PLH : é o tempo para uma entrada em nível baixo produzir uma saída em nível alto. Os tempos são medidos em relação a 50% da amplitude pico-a-pico dos sinais. Entrada Saída t PHL t PLH Figura 4: Tempos de propagação numa porta inversora. 4

5 3 Pré-Laboratório TENÇÃO: O pré-laboratório deve ser apresentado no começo da aula, deve ser feito à mão e é imprescindível para a participação na aula de laboratório 1. Consulte os manuais (data sheets) dos seguintes componentes: 7400 (NND) e 7402 (NOR), identificando os pinos e características descritos nesta experiência (portanto, você deve ler este roteiro até o final antes da realização da experiência). Coloque em seu pré-lab os valores de V cc, V OH, V OL, V IH, V IL, t PLH, t PHL para as duas portas lógicas. 2. Levante as funções lógicas simplificadas e as tabelas-verdade dos seguintes circuitos. No pré-lab coloque todos os passos de simplificação algébrica: S B S (a) (b) B S X Y W S C (c) (d) Figura 5: Circuitos lógicos. 3. Forneça, para cada circuito da Fig. 5, as listas de ligações. Como exemplo, chamando o componente 7400 de, que contém quatro portas lógicas, um esquema de ligações e a correspondente lista de ligações para o circuito da Fig. 5a ficaria: CH LED1 7 GND 14 Vcc CH1 3 LED1 Figura 6: Esquema e lista de ligações. TENÇÃO: Para todos os experimentos, ao se pedir um esquema e uma lista de ligações, SEMPRE deve-se apresentar um esquema como da Fig. 6, com os pinos numerados, e uma lista de ligações completa, não se esquecendo da alimentação, entradas e saídas. Em geral pode-se conectas as entradas a chaves e as saídas a LEDs. Este procedimento, obrigatório, auxiliará na montagem e depuração dos circuitos, principalmente os mais complexos. 4 Parte Experimental tenção: Prepare seu roteiro (leia-o previamente) e vá anotando os procedimentos e resultados organizadamente, de modo a facilitar a escrita do relatório, que deverá ser entregue ao final da aula. 5

6 4.1 limentação do módulo 1. Meça com o multímetro o valor de 5 V (Vcc) fornecido pelo módulo, anote-o e verifique se está dentro dos limites indicados no manual. 2. Meça tambémosníveis detensãocorrespondentes a0e1deumadaschaves domódulo; 4.2 Testes dos CIs e circuitos 1. Monte o circuito da fig. 5a, de acordo com sua lista de ligações. 2. Insira cuidadosamente os CIs no protoboard e alimente-os corretamente. 3. Teste seu funcionamento, utilizando as chaves como entradas e os LEDs como saídas, conferindo com sua tabela-verdade. Mostre ao professor/técnico os resultados. 4. Descreva os procedimentos e resultados no relatório. 5. Repita para os circuitos das fig. 5b e c. TENÇÃO: monte e teste um circuito de cada vez. 4.3 Identificação de circuito Será fornecido em laboratório um CI com a identificação oculta e uma lista de ligações de um circuito desconhecido; 1. Monte o circuito, levante experimentalmente a tabela-verdade e identifique qual função lógica está sendo implementada com as variáveis de entrada. 2. pós isso, e sabendo-se qual é o CI, no relatório desenhe o circuito e obtenha a função lógica SEM simplificação; 3. partir da expressão obtida no item anterior, obtenha, algebricamente, a função lógica simplificada, conferindo com seu resultado do item Curva Entrada-Saída Vamos levantar uma curva relacionando a entrada e a saída, como na Fig Identifique os valores de V IH(min), V IL(max), V OH(min), V OL(max) para o 74LS00 (do manual). Interprete seus significados. 2. Monte um inversor com uma porta 7400 e monte a instrumentação como indica a Fig. 7. alimentação do CI (Vcc/GND) deve ser conectada normalmente no módulo verde. n saída da fonte de tensão deve ser ligada à entrada da porta lógica, e há multímetros para medir os valores de tensão de entrada e de saída simultaneamente. Note que todos os terras devem ser comuns (use os conectores banana do protoboard para fazer algumas conexões). 3. Usando uma fonte de tensão regulável, aplique na entrada da porta NND um sinal DC, começando em 0 V até 5 V. Meça os sinais de entrada e de saída utilizando os dois multímetros. Siga os seguintes passos: 6

7 Vcc Ve Vs Fonte de tensão regulável Multímetro 1 GND Multímetro 2 Figura 7: Medição de curva entrada-saída. (a) Inicialmente aplique uma tensão de 0 V na entrada do circuito, e anote o valor da tensão de saída, V S1 ; (b) umente lentamente a tensão de entrada até notar que a tensão de saída cai rapidamente. Reduza um pouco a tensão de entrada, repetindo a operação algumas vezes, e obtenha o valor da tensão de entrada que provoca esta mudança, chamando-a de V t1. Esta tensão serve como uma medida para localizar em qual ponto da curva há uma rápida variação; (c) umente a tensão de entrada até 5 V e anote o valor da saída V S0 ; (d) Volte a tensão de entrada a 0 V e monte uma tabela contendo a tensão de entrada para os valores de 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4 e 5 V, e os correspondentes valores de tensão de saída; 4. Trace a curva de entrada-saída num gráfico, com a tensão de entrada no eixo horizontal e a tensão de saída no eixo vertical; 5. partir dos resultados, detemine quais as faixas de valores de tensão de entrada que a saída pode ser considerada em nível zero ou um; para isto você deverá ter os valores de V OL e V OH do manual. 6. Com base nestes resultados, comente sobre a operação do circuito e os níveis de sinal de entrada analógicos. O circuito opera sobre níveis de sinais digitais ou analógicos? 4.5 Pulsos espúrios - glitches 1. Monte o circuito da Fig. 5d e teste seu funcionamento com as chaves, verificando sua tabela-verdade. 2. juste o gerador de funções de modo a ter na sua saída uma forma de onda quadrada, com amplitude entre 0 e 5 V (não se esqueça de ajustar o nível de off-set no gerador, e coloque o osciloscópio digital no modo DC), e freqüência próxima de 1 khz. 3. plique o sinal do gerador na entrada do circuito, observando a forma de onda no canal 1 do osciloscópio digital. 4. Observe no osciloscópio os sinais (canal 1) e S (canal 2). 7

8 5. O osciloscópio deve estar numa escala de tempo de 100 ns/div, e de amplitude igual a 2 V/div, canais 1 e 2 com acoplamento DC; trigger: canal 1, borda de subida, acoplamento DC, Normal; Modo de aquisição (CQUIRE): detecção de pico. 6. Compare o sinal de saída com o previsto na sua tabela-verdade. note as formas de onda e explique o efeito no relatório. 7. Meça otempodepropagaçãodosinalatéosinalw,queéotempodepropagaçãopor três portas. Obtenha o tempo de propagação médio por uma porta lógica e compare com o resultado fornecido no manual. Note que este procedimento é aproximado. 5 Relatório No pré-lab + relatório devem constar todos os materiais utilizados, procedimentos de montagem e testes, esquemas de ligação, gráficos e valores medidos e lidos em manuais, com as respostas e comentários solicitados. Deve-se apresentar os resultados experimentais e em seguida os comentários pertinentes. dicione ao final do relatório uma conclusão geral sobre o experimento. Não se esqueça de seguir as recomendações para elaboração do pré-lab e relatório. Referências TOCCI, R.J.; WIDMER, N. S., Sistemas Digitais - Princípios e plicações, Cap.8, Prentice Hall, 8a. ed