Sistemas Digitais Ano lectivo de 2010/2011 LEIC - TP, LERC, LEE 1 o Trabalho de Laboratório

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1 Sistemas Digitais Ano lectivo de 2010/2011 LEIC - TP, LERC, LEE 1 o Trabalho de Laboratório Introdução ao Laboratório 1 Objectivos O objectivo do 1 o trabalho de laboratório é efectuar a adaptação ao ambiente do laboratório da disciplina de Sistemas Digitais. Embora este trabalho não seja avaliado, a sua realização é obrigatória para todos os alunos que frequentam o referido laboratório. Uma vez que a sessão de laboratório tem a duração de 1:30 horas é conveniente que leia e estude este guia atentamente antes da aula, de forma a conseguir realizar todas as actividades propostas. Caso tenha dúvidas contacte o corpo docente no horário de dúvidas, disponível na página da cadeira. 2 Equipamento laboratorial 2.1 Equipamento disponível No laboratório de Sistemas Digitais terá a oportunidade de montar e testar circuitos digitais, previamente projectados pelo seu grupo de trabalho para responder às especificações definidas nos enunciados. Estes circuitos são construídos utilizando diversos Circuitos Integrados que são montados, numa Régua de Montagem, tendo por base o projecto elaborado por cada grupo de trabalho. Depois do circuito montado, segue-se a fase de testes, na qual deverá verificar se o circuito cumpre os requisitos, isto é, se funciona como pretendido. O teste do circuito é realizado com recurso a um equipamento especial designado por Base de Montagem ou Bancada de Ensaio. Quando se testa o circuito, acontece muitas vezes (senão quase todas isto é perfeitamente normal) que o comportamento que se obtém não é o esperado. Quando esta situação acontece é necessário manter a calma e proceder à detecção dos erros e à sua correcção. A detecção de erros é uma tarefa que deve ser realizada com recurso a outro equipamento especial, a Ponta de Prova. As primeiras actividades que vai realizar destinam-se a permitir que se familiarize com estes equipamentos, de forma a facilitar a realização dos próximos trabalhos. 1

2 2.2 Circuitos Integrados Um circuito integrado contém um conjunto de circuitos que implementam uma dada função lógica. Nas funções lógicas mais simples, o mesmo circuito integrado pode disponibilizar vários circuitos com a mesma função lógica. Por exemplo, o circuito integrado 74HCT04, que será utilizado, contém 6 negações. Do ponto de vista exterior, um circuito é constituído por uma caixa de plástico preto ou de cerâmica com um conjunto de pinos metálicos, que permitem aceder às suas entradas e às suas saídas e dois pinos para efectuar a alimentação eléctrica do circuito. A numeração dos pinos ilustrada na Figura 1 é feita usando como referência uma cavidade em forma de semi-círculo (por vezes tem outros formatos). Colocando o circuito integrado numa mesa, com a cavidade virada para cima e para o lado esquerdo, o pino 1 é o que se situa em baixo da cavidade (do lado esquerdo). Os restantes pinos são numerados no sentido anti-horário dos ponteiros do relógio. Pin 14 (ligar, em geral, ao VCC ou +5V) Pin 7 (ligar, em geral, à massa ou GND) Figura 1: Numeração dos pinos dum circuito integrado Normalmente, a alimentação do circuito é feita com uma tensão de +5V através de dois pinos: O Vcc para ligar aos 5V, que usualmente é o último pino (localizado por cima da cavidade). O GND para ligar à massa, que, usualmente é o ultimo pino da parte inferior, na extremidade direita. Cada circuito integrado tem um código que identifica a sua família e a função que ele executa. Por exemplo, o circuito 74HCT04, pertence à família 74HCT e o número 04 determina que ele executa a função negação. Existem catálogos (em papel e disponíveis na INTERNET) que contêm a descrição dos diversos circuitos integrados. Para cada circuito existe uma folha de dados (ou Data Sheet, em inglês), que, entre outra informação contém a descrição da estrutura interna do circuito e da ligação aos pinos (pin-out) e a sua tabela de verdade. Na Figura 2 apresenta-se um extracto da informação referente ao referido circuito que foi recolhida da folha de dados. 2

3 Figura 2: Extractos da informação do catálogo referente ao circuito 74HCT04 pinout A tabela de verdade serve para seleccionar os circuitos integrados que implementam as funções lógicas pretendidas, e o pin-out serve para elaborar o esquema de ligações, isto é, o esquema eléctrico do circuito, conforme se verá posteriormente. 2.3 Régua de Montagem Uma régua de montagem ou placa de montagem também conhecida por breadboard, em inglês, designa um suporte de plástico com contactos metálicos no seu interior, alguns deles ligados, sobre a qual irão ser colocados os circuitos integrados e demais componentes electrónicos que constituem o circuito digital a montar e testar. As réguas a usar no laboratório são de dois tipos: as réguas de integrados; e as réguas de barramentos. As réguas de integrados são constituídas por matrizes de orifícios espaçados de 0,1 polegadas (2, 54 mm aproximadamente) e numeradas nas linhas e nas colunas. A Figura 3 mostra um exemplo de régua com 64 linhas e 10 colunas com as ligações internas assinaladas. 3

4 A B C D E F G H I J A B C D E F G H I J Figura 3: Uma régua para montagem de circuitos integrados e demais componentes Uma régua de barramentos contém, em geral, dois orifícios por cada linha. Uma régua de barramentos típica é, então, formada por 2 colunas e por um número de linhas que é semelhante ao número de linhas da régua de integrados (mas não necessariamente igual). A ligação entre orifícios é agora feita de maneira diferente: as linhas são, regra geral, divididas em dois conjuntos, e para cada um deles as colunas estão todas ligadas entre si (Figura 4). Figura 4: Uma régua de barramentos típica, com as ligações internas indicadas a cinzento. De notar que as ligações são, geralmente, entre cada uma das colunas de cada meia régua As colunas são, em geral, identificadas por duas barras coloridas, uma vermelha e a outra azul, para facilitar a ligação ao Vcc e à massa (vermelho para a ligação ao Vcc, azul para a ligação à massa). Tipicamente, a cada régua de integrados vêm associadas duas réguas de barramentos para as ligações às tensões de alimentação, como mostra a Figura 5. Uma solução mais económica utiliza apenas uma régua de barramentos. Figura 5: Um conjunto de uma régua de integrados e duas de barramentos com um integrado já montado A régua de integrados está dividida em duas metades, separadas por um sulco central (representado na figura pela linha tracejada azul, identificada pelo número 2). Este sulco serve para facilitar a colocação e remoção dos 4

5 integrados. Esta deve ser feita com recurso a uma pinça. Os integrados devem ser colocados com a cavidade para o lado esquerdo, de forma a que os pinos da parte superior se localizem na metade de cima e os da parte inferior se localizem na metade de baixo de forma a haver alguma uniformidade. Em cada metade da régua de integrados todos os oríficios duma mesma coluna estão interligados entre si como se vê na Figura 3. Desta forma, quando se quer ligar um pino de um integrado a outro pino de outro integrado, a ponta do fio pode ser enfiada em qualquer oríficio da coluna onde se localiza o pino que se pretende ligar. A régua de barramento também está dividida em duas metades separadas por um espaçamento maior entre os orifícios (representado na figura por uma linha tracejada verde, identificada pelo número 1). 2.4 Base de montagem Uma base de montagem serve para trabalhar com as réguas de montagem, onde se montam os circuitos que utilizam a alimentação eléctrica e as entradas e saídas da base. Figura 6: Base de montagem disponível no Laboratório A Figura 6 esquematiza uma base de montagem semelhante à que se irá usar no laboratório, onde estão numerados os itens que poderá usar com mais frequência em Sistemas Digitais, nomeadamente: o interruptor 5

6 eléctrico (item 0), dispositivos de saída (itens 1 e 2) e dispositivos de entrada (itens 3 e 4). Note-se, contudo, que as réguas de montagem a utilizar são as referidas na secção anterior e não as que a fotografia mostra. O interruptor geral da alimentação serve para ligar as fontes de tensão e tem uma luz acesa quando está ligado. Em Sistemas digitais vai ser usada a fonte de tensão de 5 V. Existem 8 leds (item 1), sendo que, cada um deles acende quando a saída do circuito que lhe está ligado tem o valor lógico 1. Para serem acedidos basta ligar um fio da saída do circuito que se pretende activar ao oriíficio que se encontra por baixo do led respectivo. Os displays de 7 segmentos (item 2) servem para representar números no código BCD, representando cada um dos displays um dos algarismos. Existem 8 interruptores (item 3) que, quando colocados para cima, colocam a entrada no valor lógico 1 e quando se colocam para baixo colocam a entrada a 0. Para se ligar um interruptor a uma entrada dum circuito usam- -se fios introduzidos nos orifícios que se localizam imediatamente acima do interruptor. Por último, os botões de pressão (item 4) são interruptores que mudam de valor lógico cada vez que são premidos. Por vezes não funcionam muito bem. 2.5 Ponta de Prova A ponta de prova é um equipamento simples ilustrado na Figura 7 que lhe permite determinar o nível lógico num dado ponto do circuito, sendo muito útil na descoberta e correcção de erros. No entanto o seu uso só é eficaz se utilizar um método sistemático de diagnóstico de erros. Figura 7: Ponta de prova Para proceder ao teste terá de alimentar a ponta de prova, ligando um fio ao Vcc (+5V) e o outro ao GND (massa). Tipicamente, usa-se a cor vermelha para a ligação ao Vcc e a preta para a ligação à massa. Existem três leds que servem para indicar um determinado estado lógico, quando acesos: um deles, normalmente de cor vermelha, corresponde ao valor lógico 1; outro, de cor verde, corresponde ao valor lógico 0; um terceiro led, de cor amarela, intermitente identifica situações em que o valor lógico oscila entre 6

7 0 e 1. Para a medição do estado do circuito num dado ponto, a extremidade metálica da ponta de prova deve ser encostada no pino do circuito integrado no ponto de circuito que se pretende analisar. A ponta não deve ser introduzida nos orifícios das Placas para garantir um bom contacto. 3 Actividade Experimental 3.1 Teste ao Funcionamento da Base de Montagem Alimentação da Base Ligue a alimentação da base no Interruptor e verifique que a luz acende. Se isto não acontecer, verifique se: A base está ligada à tomada da bancada e se não estiver ligue. O disjuntor da bancada está ligado e se não estiver ligue. Se após realizar estas verificações a situação persistir peça ajuda ao docente Teste às entradas 1. Descarne as extremidade dum fio e ligue uma delas a um interruptor e a outra a um led. Verifique que: Se o interruptor estiver para cima o led fica aceso. Se o interruptor estiver para baixo o led fica apagado, tal como os restantes leds que não estão ligados a nada. 2. Repita a experiência com os botões de pressão. 7

8 3.1.3 Teste às saídas Ligue os quatro interruptores da direita às entradas do display de 7 segmentos e a entrada D1 ao GND. Introduza as seguintes combinações e anote os valores obtidos nos displays de 7 segmentos (considere que o interruptor mais à direita é o I0 e o mais à esquerda o I3). I3 I2 I1 I0 BCD Teste ao uso da Placa de Montagem Montagem do circuito 1. Analise o esquema eléctrico representado na Figura 8 e a informação constante da Figura 2. IC1-74HCT04 Figura 8: Esquema eléctrico do circuito a montar 2. Coloque a placa sobre a mesa e coloque o integrado IC1 conforme indicações dadas anteriormente. 3. Consulte o pin-out (ver Figura 2) e identifique os terminais do Vcc (Supply Voltage) e do GND (Ground). Verifique que o Vcc está no pino 14 e o GND no pino 7. Efectue a ligação destes pinos à régua de barramento, usando o método descrito anteriormente. 4. Efectue as ligações do circuito ligando: 8

9 O pino 2 do IC1 ao pino 3 do mesmo integrado. Um interruptor à sua escolha ao pino 1 do IC1. Um led à sua escolha ao pino 4 do IC1. 5. Termine o processo de montagem ligando: O Vcc e o GND do bus à régua de barramentos. A alimentação da base Teste do circuito 1. Varie a posição do interruptor e analise o que se passa com o led. 2. Siga o procedimento da secção 2.5 para ligar a ponta de prova. Use-a para avaliar a situação que se verifica à saída da primeira porta lógica (pino 2). 3. Coloque ainda a ponta de prova: No terminal 5. Num led que não tenha ligação Na saída do circuito (terminal 4). Analise e anote os valores que obteve e conclua se é possível identificar terminais não ligados. Sempre que tiver dificuldades em fazer o que lhe é pedido, solicite a ajuda do docente! Esclareça todas as suas dúvidas com o docente. Pergunte tudo. Perceba tudo. Se ficar com dúvidas, dentro dum mês será tarde demais! 9