Introdução ao Laboratório Digital

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1 Introdução ao Laboratório Digital Versão 2016 RESUMO Esta experiência tem como objetivo um contato inicial com o Laboratório Digital com o desenvolvimento de uma atividade planejada envolvendo o projeto de um circuito combinatório. Ao final da experiência, os alunos terão conhecimento sobre os procedimentos a serem realizados a cada experiência desde o projeto até a montagem, teste e depuração do circuito digital. 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 (planejamento e relatório); Estudo de um circuito digital simples. 1. PARTE EXPERIMENTAL As atividades experimentais são descritas nesta seção da apostila e devem ser realizadas no Laboratório Digital. Um documento final deve ser elaborado, 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. Nesta primeira aula, incluímos estas notas para auxiliar os alunos na condução das atividades Atividades Pré-Laboratório Antes da especificação das atividades a serem realizadas no Laboratório Digital durante a aula experimental, deverão ser desenvolvidas algumas tarefas de pesquisa e preparação. Aqui, vamos realizar como primeira atividade a consulta de manuais de componentes (ou datasheets) Pesquisa em Manuais de Componentes a) Consulte os manuais dos componentes SSI 7404 (inversor), 7408 (AND) e 7432 (OR), e liste os sinais dos pinos dos circuitos integrados. DICA: neste item, pode-se incluir uma figura dos componentes para ilustrar a resposta. b) Responda as perguntas abaixo: 1. Quantas portas lógicas contém cada pastilha dos componentes estudados? 2. Quais são os pinos de alimentação de cada componente? 3. Como podemos implementar uma função lógica NAND usando os componentes estudados? Desenhe um diagrama lógico com as ligações entre os pinos dos componentes. 4. Como podemos implementar a função lógica XOR usando os componentes estudados? Desenhe um diagrama lógico 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 1.1. Determine a equação lógica para a saída Y. Introdução ao Laboratório Digital (2016) 1

2 A B C Y Figura 1.1 Tabela verdade do circuito lógico a ser estudado. d) Estude a função lógica do circuito. Há alguma característica relevante detectada pelo grupo? e) Desenhe um diagrama esquemático da implementação deste circuito usando somente portas lógicas. Quantas portas lógicas são necessárias? Projeto 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. f) Elabore (manualmente em uma folha de papel) um diagrama lógico de um circuito digital que implemente o circuito lógico da figura 1.1 usando somente a porta inversora (7404) e as portas lógicas com duas entradas (7408, 7432). Quantas portas lógicas são necessárias? Quantas pastilhas são necessárias? DICA: a documentação do diagrama lógico do projeto pode ser feita com o software Eagle. g) Considere as saídas das portas lógicas internas do circuito como sinais de depuração. Complete a tabela verdade com colunas adicionais para cada uma delas. DICA: um sinal de depuração é um sinal interno do circuito que pode ser usado para verificação do seu funcionamento, tanto em testes com ferramentas de simulação ou na montagem experimental. A tabela verdade aumentada com as colunas adicionais deve ser usada no item 1.3.q no teste da montagem realizada Ferramenta de Projeto e Simulação Com a realização do projeto lógico de um circuito, seu funcionamento e correção podem ser verificados através de ferramentas de projeto e simulação. Neste item usaremos a ferramenta de software Altera Quartus II. h) Usando o sofware Altera Quartus II, elabore um projeto que verifique o funcionamento do circuito projetado no item f. 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. Adote a simulação funcional. i) Apresente no planejamento as saídas das simulações dos projetos, junto com os diagramas esquemáticos dos circuitos analisados. DICA: O planejamento inclui o projeto pedido e um roteiro para a montagem e outras atividades experimentais a serem executados no Laboratório Digital. Neste ponto, terminamos a preparação conceitual e projeto do circuito a ser desenvolvido para a aula experimental no Laboratório Digital. Resta agora, verificar os procedimentos experimentais, com a leitura e familiarização das atividades programadas. Após isto, deve ser incluído no planejamento um roteiro experimental detalhado. Introdução ao Laboratório Digital (2016) 2

3 1.2. Familiarização com os Equipamentos de Bancada Inicialmente realizaremos uma 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. j) Utilize o texto que descreve o "Dispositivo para Montagens Experimentais" e procure familiarizar-se com ele. Este dispositivo, também conhecido como Painel de Montagens. Faça uma inspeção visual do painel e elabore uma descrição dos recursos disponíveis ao aluno. DICA: use uma tabela com as colunas: recurso, descrição, quantidade, etc. Complete a tabela abaixo. Recurso Descrição Quantidade Identificação Chaves Chaves para entrada de valores digitais 8 C0 a C7 Leds k) 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 uma tabela com função, fabricante, modelo. Complete a tabela abaixo. Equipamento Fabricante Modelo Osciloscópio digital de 2 canais Tektronix TBS1052B 1.3. Montagem Experimental Somente com um circuito correto, deve-se executar a montagem do projeto no painel de montagens experimentais e sua verificação experimental. Anote os resultados, fatos ocorridos e comentários no relatório a ser entregue no final da aula. Detalhamento do circuito l) Com base nas informações dos pinos dos circuitos integrados 7404, 7408 e 7432, acrescente a numeração dos pinos ao diagrama lógico do item f. Acrescente também informação sobre a localização do circuito integrado no painel de montagens experimentais. DICA: esta atividade deve ser realizada como parte da Atividades Pré-Laboratório. Ela está programada aqui nesta aula por razões didáticas. Montagem do circuito Realizamos agora a montagem do circuito no painel de montagens experimentais usando componentes TTL. A montagem inclui atividades de ligação dos componentes, além de uma verificação inicial do seu funcionamento. m) 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. n) Realize a montagem do diagrama anotado com a numeração dos pinos realizada no item 1.3.l. DICA: para auxiliar na tarefa de montagem, sugere-se que o grupo anote as ligações executadas no diagrama lógico. Não esquecer a ligação dos pinos de alimentação (VCC e GND). o) Ligue também os sinais de depuração especificados pelo grupo nos leds restantes disponíveis no painel de montagens. DICA: use estes sinais para verificar o correto funcionamento de cada parte do circuito montado. Introdução ao Laboratório Digital (2016) 3

4 Teste do circuito 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. p) 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. q) Compare os resultados experimentais obtidos com os valores da tabela verdade. Os valores experimentais foram consistentes com os valores esperados? Depuração do circuito A depuração inclui atividades de correção de erros detectados nos testes realizados no item anterior. Caso os testes mostrem que o circuito está correto, esta etapa não precisa ser executada. Se for preciso, após a detecção da origem do mal funcionamento, em seguida, deve-se repetir os testes do item anterior. r) Se houver discrepância entre os valores experimentais e os valores teóricos, execute a depuração da montagem. DICA: use os sinais de depuração para verificar valores intermediários do circuito. s) Depois de corrigir o erro encontrado, execute mais uma vez a verificação do funcionamento do circuito do item 1.3.p Desafios Neste item, serão propostas algumas atividades adicionais para complementar os tópicos estudados na experiência. Sua realização é condicionada à finalização do item anterior e anuência do professor. 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 t) 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). u) Execute a montagem, testes e depuração do circuito otimizado. v) Discuta as diferenças entre os circuitos dos itens f e 1.4.t? Estudaremos também nesta experiência outro circuito digital e verificar seu comportamento. w) Estude o comportamento do circuito digital abaixo (fig.1.2). Descreva seu funcionamento no relatório. Figura 1.2 Circuito do desafio. x) Realize a montagem experimental. Anote os resultados obtidos. y) Qual é a função do circuito da figura 1.2? Compare com os outros circuitos estudados na experiência. z) Compare os circuitos lógicos dos itens f, 1.4.t e 1.4.w em relação ao número de circuitos integrados, número de componentes lógicos e número de ligações. Analise as diferenças e compare os circuitos estudados. Introdução ao Laboratório Digital (2016) 4

5 1.5. Atividades Pós-Laboratório Ao final das atividades experimentais, algumas perguntas deverão ser respondidas no relatório a respeito dos tópicos estudados. aa) Com base nos resultados experimentais 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. Cite uma aplicação prática do circuito estudado na experiência (definido na figura 1.1). 3. Na montagem experimental de hoje, os sinais de depuração definidos foram importantes para verificar o funcionamento correto do circuito estudado? Comente. 4. Quantos circuitos integrados foram necessários para projetar o circuito usando portas lógicas? Quantas ligações foram necessárias? 5. Quantos circuitos integrados foram necessários para projetar o circuito usando o multiplexador? Quantas ligações foram necessárias? 6. As atividades de teste e de depuração são distintas. Cite duas características de cada uma delas. 2. BIBLIOGRAFIA Neste item são apresentadas as referências bibliográficas úteis para o estudo realizado na experiência. ALTERA. Quartus II Introduction Using Schematic Design. September 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 TEXAS INSTRUMENTS. Digital Logic Pocket Data Book 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. Podem ser usados como referência para o projeto 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 softwares Altera Quartus II e Eagle. Histórico de Revisões E.T.M. / 2012 (revisão) E.T.M. / 2013 (revisão) E.T.M. / 2014 (revisão) E.T.M. / 2015 (revisão e reorganização) E.T.M. / 2016 (revisão) Introdução ao Laboratório Digital (2016) 5