Montagem de circuitos digitais Prof. Alberto Bastos do Canto Filho

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1 UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul Departamento de Engenharia Elétrica ENG04427 Técnicas Digitais Montagem de circuitos digitais Prof. Alberto Bastos do Canto Filho 1 Introdução O objetivo deste tutor é apresentar: Os documentos necessários para a montagem de protótipos em matrizes de contatos (protoboard); As práticas de montagem a partir da documentação; 2 Documentação para a montagem A documentação utilizada para a montagens em matrizes de contato é composta pelos seguintes partes: Lista de componentes Tabela de posições Diagrama de montagem 2.1 Lista de Componentes A Figura 2.1 mostra a lista de componentes. Trata-se de um documento cujo objetivo é orçamento e compras. Lista de Componentes Uns ID Descrição Prt/ Un Prt Total Uso Disp. R$/Un R$ 1 SN74HC04 6 portas inversoras R$ 1,20 R$ 1,20 1 SN74HC00 4 portas NAND, 2 entradas R$ 1,20 R$ 1,20 1 SN74HC10 3 portas NAND de 3 entradas R$ 1,00 R$ 1,00 1 SN74HC20 2 portas NAND de 4 entradas R$ 1,00 R$ 1,00 1 DIP SW 4 DIP switch, c/4 chaves R$ 2,00 R$ 2,00 4 R 1k 1/8 Resistor de 1K 1/8W R$ 0,05 R$ 0,20 4 R 470 1/8 Resistor de 470, 1/8W R$ 0,05 R$ 0,20 1 Led Led R$ 0,80 R$ 0,80 1 Protoboard Protoboard 1680 pontos R$ 90,00 R$ 90,00 1 Display 7 seg Display 7 segmentos, 10 pinos, R$ 4,30 R$ 4,30 anodo comum Total R$ 101,90 Figura 2.1: Lista de Componentes Tutor montagens 1 de 26

2 2.2 Tabela de Posições ID Figura 2.2: Tabela de posições A Figura 2.2 mostra uma tabela de posições. Seu objetivo é definir o posicionamento de cada um dos componentes no protoboard. Também nesta tabela especifica-se a alimentação dos circuitos integrados. A definição das posições obedece um conjunto de convenções que devem ser conhecidas pelo engenheiro projetista e pelo técnico responsável pela montagem do protótipo. A seguir serão apresentadas as convenções utilizadas neste tutorial Protoboard Tabela de Posições Posição GND (AY;AZ) Vcc (AX;AT) SN74HC04 AF SN74HC00 AF SN74HC10 AF SN74HC20 AF DIP SW 4 AF R 1k 1/8 AA02AX - - R 1k 1/8 AA03AX - - R 1k 1/8 AA04AX - - R 1k 1/8 AA05AX - - R 470 1/8 AB R 470 1/8 AA R 470 1/8 AJ R 470 1/8 AJ16AT - - LED AI Display 7 seg AH A matriz de contatos (protoboard) possui um sistema de identificação de cada um de seus contatos através de um sistema de coordenadas cartesianas (Figura 2.3). Figura 2.3: Localização dos contatos Tutor montagens 2 de 26

3 Figura 2.4: Protoboard 1680 furos A Figura 2.4 mostra um protoboard de 1680 contatos. Observe que a numeração das colunas atribui o número 1 para a primeira coluna das linhas de alimentação. Observe as linhas de alimentação identificadas como AX, AY, AZ, AT BX, BY, BZ, BT Circuitos Integrados Os circuitos integrados utilizados neste tutorial possuem o encapsulamento do tipo DIP (Dual In-line Package), com 14 pinos. A Figura 2.5 mostra um integrado com encapsulamento do tipo DIP (Dual In-line Package) com 14 pinos. Observe: a convenção utilizada para a numeração dos pinos; a posição do pino 1; Figura 2.5: DIP 14 Tutor montagens 3 de 26

4 ID Posição GND Vcc (AY;AZ) (AX;AT) SN74HC04 AF SN74HC00 AF SN74HC10 AF SN74HC20 AF Na convenção utilizada para especificação de posicionamento dos circuito integrados, é informado pela posição pino 1. Assume-se que o pino número 2 esteja no contato de numeração subseqüente. Figura 2.6: Posições dos circuitos integrados Tomando como exemplo o integrado 74HC04, cujo posicionamento é AF08 (Figura 2.7), assume-se um posicionamento tal que: o pino 1 esteja posicionado no contato AF08 o pino 2 esteja posicionado no contato AF09 Figura 2.7: Posicionamento de CI em AF08 Também na tabela de posicionamento são fornecidas as informações sobre a alimentação: Alimentação Vcc (+5V): linhas AY e AZ; Alimentação GND (0V) : AX e AT; Pinos de alimentação dos circuitos integrados Resistores A posição dos resistores é definida por 6 dígitos (letras LL ou números NN). Existem dois tipos de convenção referentes à identificação da posição de resistores no protoboard: LL1NNLL2: Define-se o contato inicial como LL1NN e o contato final como LL2NN. Exemplo - AA02AX resistor colocado entre os contatos AA02 e AX02 LLNN1NN2: Define-se o contato inicial como LLNN1 e o contato final como LLNN2. Exemplo AB5357 resistor colocado entre os contatos AB53 e AB57 Tutor montagens 4 de 26

5 O mesmo tipo de convenção pode ser utilizado para qualquer tipo de dispositivo com dois terminais. No caso de dispositivos com polaridade: diodos: primeiro contato especifica o anodo; por exemplo AI1615 indica que o Led deve ser colocado com o ânodo no contato AI16 e o cátodo no contato AI15. capacitores eletrolíticos: primeiro contato especifica o positivo Display de 7 Segmentos A Figura 2.8 mostra os pinos do display de 7 segmentos, visto de cima. A convenção utilizada para a especificação da posição é idêntica àquela utilizada para circuitos integrados DIP Switches Figura 2.8: Display de 7 segmentos O posicionamento das chaves do tipo DIP Switch obedece ao mesmo padrão dos circuitos integrados, observando-se a numeração de pinos definida na Figura 2.9. Figura 2.9: DIP 4 3 Diagrama de Montagem O diagrama de montagem tem por objetivos: definir as conexões entre os componentes; descrever o funcionamento do circuito. Observe na Figura 3.1: o desenho da fonte de alimentação e dos contatos reservados para Vcc e GND a possibilidade de identificação dos componentes e pinos que devem ser conectados a descrição do funcionamento do circuito a utilização de um gerador de estímulos controlando chaves comandadas por tensão, possibilitando a simulação a abertura e fechamento das chaves Tutor montagens 5 de 26

6 Figura 3.1: Diagrama de montagem Tutor montagens 6 de 26

7 4 Montar a protótipo Nesta secção serão apresentados os passos para a montagem de um protótipo a partir da documentação disponível (Figura 2.1, Figura 2.2 e Figura 3.1). 4.1 Montagem passo a passo 1. Providenciar os componentes necessários para montagem, a partir da lista de componentes (Figura 2.1); 2. Providenciar o conjunto mínimo de ferramentas e fios necessários para a montagem e testes: protoboard fios alicate de corte alicate multiteste fonte de alimentação de 5V 3. Posicionar os componentes no protoboard, fazendo uso das especificações de posição constantes na Figura 2.2; 4. Alimentar os circuitos integrados, conectando os seus pinos de alimentação a Vcc e GND, conforme especificado na Figura 2.2. A Figura 4.1 mostra o protoboard após o posicionamento dos componente e alimentação. Figura 4.1: Montagem após posicionamento dos componentes e alimentação Tutor montagens 7 de 26

8 5. Tenha em mãos uma versão impressa do diagrama de montagem (Figura 3.1). coloque um fio entre pino 2; AF40 pino 8, AF30 com uma caneta de cor diferente, marque a conexão realizada sobre o diagrama impresso (Figura 4.2) Figura 4.2: Marcar no diagrama as conexões já implementadas 6. Repetir o procedimento descrito no passo 5 acima, até concluir as conexões do circuito. Tutor montagens 8 de 26

9 5 Elaboração da documentação de Montagem Após a conclusão do projeto lógico, o deve-se realizar um conjunto de atividades necessárias para obtenção da documentação de montagem: revisão do projeto lógico especificação dos componentes projeto do sistema de excitação e monitoramento simulação com os componentes selecionados projeto do sistema de monitoramento Este tutor será desenvolvido, partindo-se do projeto lógico apresentado na Figura 5.1. Figura 5.1: Projeto lógico inicial 5.1 Otimização do Projeto Figura 5.2: Circuito equivalente com NANDs Normalmente a otimização tem por objetivo a minimização dos custos ou prazos. Neste exemplo, o será implementado o circuito apresentado na Figura 5.2, equivalente ao circuito da Figura 5.1. O circuito da Figura 5.2 pode ser implementado com apenas dois integrados, enquanto o circuito original (Figura 5.1) necessitaria um integrado a mais. Tutor montagens 9 de 26

10 5.2 Elaborar a Lista de Necessidades Diagrama Inicial de Montagem A Lista de necessidades necessita um esquemático com todos os componentes parcialmente especificados. A Figura 5.3 possui as chaves, resistências e Leds necessários para a montagem final do circuito. Figura 5.3: Diagrama inicial de montagem A lista de necessidades pode ser obtida com auxílio do Microcap 7, através do menu File..Tranlate..Bill of Materials A Figura 5.4 mostra a lista de materiais gerada pelo Microcap 7 para o circuito mostrado na Figura 5.3. Com base nesta lista é possível definir os componentes que serão utilizados. Bill of Materials EXOR NAND 00.CIR Item Type Value Qnt Power Cost Cost Parts 1 Resistor R1 2 Resistor 1K R2,R3 3 Diode $GENERIC LED 4 Switch Part1,Part2 5 INV DLY_TTL U4,U5 6 NAND DLY_TTL U1,U2,U3 Total Figura 5.4: Lista de materiais gerada pelo Microcap Observe que o componente 74LS00 possui 4 portas NAND; portanto um único CI atende com sobra à necessidade de 3 portas NAND. Tutor montagens 10 de 26

11 Nota: os motivos das escolhas de configurações de chaves e LEDs serão detalhados posteriormente Selecionar os Componentes A seleção de componentes é feita a partir de manuais ou da Internet. Neste exemplo, será considerado: Utilização da tecnologia TTL LS Pesquisa no site da Texas Opcionalmente, pode-se utilizar os manuais de componentes. O manual de componentes Texas pode ser baixado do site A seguir, será mostrado passo a passo um exemplo de pesquisa no site da texas 1. selecionar o site de pesquisa, menu Logic 2. selecionar a família TTL LS Tutor montagens 11 de 26

12 3. localizar as opções de portas NAND. Selecionar o SN74LS00: um CI que possui quatros portas NAND de 2Entradas (Quad 2-Input Positive- NAND gates); selecionae o SN74LS00 4. Fazer o download da documentação do CI 5. Repetir o procedimento acima para localizar o CI SN74LS04 (portas inversoras) Elaborar Lista de Componentes Com os dados disponíveis até o momento, é possível elaborar a lista incompleta de componentes apresentada na Figura 5.5 Lista de Componentes Uns ID Descrição Prt/ Un Prt Total Uso Disp. R$/Un R$ 1 SN74LS04N 6 portas inversoras R$ 1,50 R$ 1,50 1 SN74LS00N 4 portas NAND, R$ 1,50 R$ 1,50 1 DIP SW 4 entradas DIP switch, c/4 chaves R$ 2,50 R$ 2,50 2 R 1k 1/8 Resistor de 1K 1/8W R$ 0,05 R$ 0,10 1 R 470 1/8 Resistor de 470, 1/8W R$ 0,05 R$ 0,05 1 LED LED R$ 0,80 R$ 0,80 Figura 5.5: Lista de Componentes Total R$ 6,45 Observação: A referência de preço unitário pode ser obtida em sites de fornecedores de componentes. Tutor montagens 12 de 26

13 5.2.4 Elaborar Tabela de Posições Definir a posição dos componentes e elaborar a tabela de posições ID Posição GND (AY;AZ) Vcc (AX;AT) SN74LS04N AF SN74LS00N AF DIP SW 4 AF R 1k 1/8 AA02AX - - R 1k 1/8 AA03AX - - R 470 1/8 AJ30AT - - Figura 5.6: Tabela de Posições Elaborar Esquemático 1. Imprimir o diagrama de montagem inicial e acrescentar as informações adicionais: fonte; componente posição gerador de estímulos (para simulação) No microcap, criar uma nova versão, substituindo as portas lógicas do tipo Digital Pimitives por portas do tipo Digital Library : 1. Abrir o arquivo com o Diagrama inicial de montagem; Tutor montagens 13 de 26

14 2. Remover as portas lógicas 3. Selecionar o componente Observe que o componente utilizado (74LS00) não está habilitado na versão de estudante do Microcap 7.0. O componente 7400 pode ser utilizado para substituí-lo, tendo em vista sua compatibilidade ao nível de lógica e pinagem. 4. Adicione a porta NAND no local correspondente à posição AF20-A e ajuste suas propriedades: Pin Numbers: marcar a check box, para que os números dos pinos sejam mostrados PART: AF20-A PACKAGE: DIP14 (Tipo de encapsulamento Dual In-Line, 14 pinos) GATE: A (Porta A, do integrado posicionado em AF20) A figura a seguir mostra como deve ficar o diálogo de propriedades da porta NAND adicionada Tutor montagens 14 de 26

15 5. Repetir o procedimento descrito no passo 4 para as demais portas lógicas. Após a adição de todas as portas, o esquemático deve parecer-se com a figura a seguir: 6. Atualizar os resistores e o diodo: tornar visível a propriedade Part; atualizar a propriedade Part, colocando o identificador de posicionamento do componente 7. Acrescentar a fonte Tutor montagens 15 de 26

16 8. Acrescentar textos de comentário, identificando as linhas de alimentação 9. Acrescentar o gerador de estímulos, utilizado exclusivamente para fins de simulação: Command: n n n 11 Part: tornar invisível: 10. Atualizar as chaves: tornar visível a propriedade Part; atualizar a propriedade Part, colocando o identificador de posicionamento da chave propriedade Value: V,0,1 V: informa que se trata de uma chave controlada por tensão 0: tensão 0 abre a chave 1: tensão 1 fecha a chave observação: utiliza-se a chave controlada por tensão com a finalidade de possibilitar a simulação do circuito; O controle das chaves e o gerador de estímulos não fazem parte da documentação de montagem 11. O esquemático fina deve parecer-se com a figura a seguir: Tutor montagens 16 de 26

17 6 Estudo das características elétricas A montagem de um protótipo a partir do projeto lógico deve ter em mente as grandezas elétricas correspondentes aos valores lógicos. É usual estabelecer uma correspondência entre valores lógicos e valores de tensão, conforme mostra a Tabela 6.1. Tabela 6.1: Equivalência entre valores lógicos e valores de tensão Valor lógico Valor de Tensão 0 L 1 H Os valores H e L, referem-se a níveis de tensão: High (tensão alta) Low (tensão baixa) A Figura 6.1 a seguir mostra um exemplo de tabela verdade apresentada para uma porta NAND no manual do componente. Figura 6.1: Exemplo de tabela verdade apresentada nos manuais Os valores de tensão H e L dependem de diversos aspectos tais como a tecnologia (TTL, CMOS,...), a tensão de alimentação, e do local de medição (sinal de entrada ou de saída). Neste tutorial será realizada uma breve análise dos componentes da família TTL LS Tensões de entrada Figura 6.2: tensão de entrada A Figura 6.2 mostra o local de medição da tensão de entrada VI. Os níveis de tensão de entrada especificadas pelo VI. são: VIH: tensão de entrada alta; nível lógico 1 VIL: tensão de baixa alta; nível lógico 0 Tutor montagens 17 de 26

18 A Figura 6.3 ao lado mostra os limites de tensão de alimentação e tensões VIL e VIH para o integrado 74LS00. Figura 6.3: níveis de tensão TTL - LS A Figura 6.5 ao lado mostra os limites de tensão de alimentação e tensões VIL e VIH para o integrado 74AC00. Observe que esta tecnologia possui maior flexibilidade quanto a tensão de alimentação, e que os limites de tensão de entrada variam conforme as condições de alimentação. Figura 6.4: Tensões para tecnologia 74AC Correntes de Entrada Figura 6.5: Corrente de entrada As correntes de entrada (Figura 6.5) variam conforme o nível de tensão de entrada: IIH: corrente de entrada para tensão de entrada alta (entrada em 1) IIL: corrente de entrada para tensão de entrada baixa (entrada em 0) Analogamente às tensões, as correntes de entrada também possuem especificações diversas, conforme a tecnologia, e condições de medição. As figuras 6.6 e 6.7 a seguir mostram diferenças nas correntes de entrada, em função da tecnologia. Os manuais dos componentes apresentam ainda outros detalhes tais como a influência da temperatura. Tutor montagens 18 de 26

19 Figura 6.6: Correntes de entrada 74LS00 Figura 6.7: Correntes de entrada 74AC00 Exercício 6.1: pull down A Figura 6.8 ao lado mostra um circuito no qual uma porta lógica é ligada à terra através de uma resistência. Considere os limites para VIL e IIL da mostrados nas figuras 6.3 e 6.6 (74LS), e calcule o maior valor de resistência que pode ser utilizado; Repita os cálculos considerando os limites mostrados para a família 74AC (figuras 6.4 e 6.7). Figura 6.8: Entrada com resistência para terra Tutor montagens 19 de 26

20 Exercício 6.2: Pull up Repetir o exercício anterior, considerando o circuito mostrado na Figura 6.9 ao lado. Figura 6.9: Entrada com resistência para Vcc Uso de chaves nas entradas Várias alternativas podem ser utilizadas para simular estímulos num circuito combinacional. A tabela abaixo mostra alguns dispositivos mecânicos que podem ser utilizados para este fim. Tabela 6.2: Chaves de 2 ou 3 polos 2 polos Chaves (Toggle switches) Botões (Pushbutton) circuito 3 polos Tutor montagens 20 de 26

21 A Figura 6.10 ao lado mostra como utilizar uma chave de 3 polos para gerar sinais 1 ou 0 Figura 6.10: uso de chave de 3 polos A Figura 6.11 ao lado mostra como utilizar uma chave de 2 polos para gerar sinais 1 ou 0 Figura 6.11: uso de chave de 2 polos A Figura 6.12 ao lado mostra uma outra configuração para utilização de uma chave de 2 polos. Atenção: quando utilizar esta configuração com tecnologia TTL, devese tomar o cuidado de calcular o valor de R adequado. (veja o Exercício 6.1) Figura 6.12: chave de 2 polos (pull down) Tensões e Correntes de Saída As tensões e correntes de saída são definidas segundo o mesmo tipo de notação visto anteriormente para tensões e correntes de entrada. A Figura 6.13 mostra o ponto de medição das tensões e correntes de saída. Tutor montagens 21 de 26

22 VOL: Tensão de saída baixa (Low); valor de tensão quando a saída possui valor lógico 0 VOH: Tensão de saída alta (High); valor de tensão quando a saída possui valor lógico 1 IOL: corrente de saída baixa (Low); valor de corrente máxima quando a saída possui valor lógico 0 IOH: corrente de saída alta (High); valor de corrente máxima quando a saída possui valor lógico 1 Figura 6.13: Tensões e correntes As figuras 6.14 e 6.15 mostram os limites de tensão e corrente das tecnologias 74LS e 74AC. Figura 6.14: Tensões e correntes de saída do 74LS00 Figura 6.15: Tensões e correntes de saída do 74AC00 Tutor montagens 22 de 26

23 Exercício 6.3: Resistências de carga Considerando Figura 6.16 ao lado e os limites de tensão e corrente apresentados nas figuras 6.15 e 6.14, calcular o menor valor de R: para a tecnologia 74LS para a tecnologia 74AC Figura 6.16: Saída com resistência para Vcc Repetir os cálculos para a Figura 6.17 ao lado. Figura 6.17: Saída com resistência para terra Acionamento de LEDs nas Saídas O estado de uma saída pode ser monitorado com o uso de LEDs (Light Emitting Diode), como o mostrado na Figura 6.18 ao lado. Figura 6.18: LED Tutor montagens 23 de 26

24 Exercício 6.4: Acionamento de LED Figura 6.19: Acionamento de LED O circuito apresentado na Figura 6.19 ao lado pode ser utilizado para acender um LED quando o sinal IN assume o valor booleano 1. Assumindo-se que sejam necessários 10mA para alcançar um brilho adequado: calcular o valor de R. Pode-se utilizar a tecnologia 74LS para acender um LED desta forma? Pode-se utilizar a tecnologia 74AC para acender um LED desta forma? Figura 6.20: V X I de um LED Responda às questões anteriores considerando a configuração apresentada na Figura 6.21 ao lado. Figura 6.21: Acionamento com saída em 1 Exercício 6.5: Acionamento de monstrador de 7 segmentos O monstrador de 7 segmento é um conjunto de 7 leds encapsulados num único componente. Tutor montagens 24 de 26

25 Figura 6.22: monstradores de 7 segmentos A Figura 6.22 mostra alguns exemplos de mostradores de 7 segmentos. Cada um dos Leds do mostrador de 7 segmentos é identificado por uma letra, conforme mostra a Figura 6.23 Figura 6.23:Letras identificadoras dos segmentos Uma característica relevante dos mostradores de 7 segmentos é o fato de possuirem a conexão interna dos cátodos de todos os diodos, disponibilizados por um único pino (catodo comum), conforme apresenta a Figura 6.24 ao lado. Repare a existência de um oitavo led RDP (Right Decimal Point). Figura 6.24: Conexão catodo comum e anodo comum Considerando a necessidade de projetar um decodificador binário-7 segmentos com tecnologia TTL LS e a consequente a necessidade de acender o led com nível lógico 0 : Que tipo de monstrador utilizaria (Catodo comum ou anodo comum) Que arranjo de resistores faria? 6.2 Posicionamento dos Componentes Os componentes utilizados na montagem devem ser identificados e posicionados no protoboard segundo convenções que permitam localizá-lo a partir do diagrama de montagem. 6.3 Identificação dos pinos de um CI Para identificar a pinagem, consulte os manuais. Tutor montagens 25 de 26

26 A figura a seguir mostra a pinagem do 74LS00: Observe as convenções utilizadas: Pino 7 - GND: Ground (terra) Pino 14 - Vcc: +5 V Pino 1 1A: entrada A da porta NAND 1 Pino 2 1B: entrada B da porta NAND 1 Pino 3 1Y: Saída da porta NAND 1 Pino 4 2A: entrada A da porta NAND 2 Pino 5 2B: entrada B da porta NAND 2 Pino 6 2Y: Saída da porta NAND 2 Etc... A figura a seguir mostra o 74LS04 segundo uma outra convenção: tutor montagens odt Tutor montagens 26 de 26