EXPERIMENTO 2: Portas Lógicas

Transcrição

1 DEE - Departamento de Engenharia Elétrica Laboratório de Circuitos Digitais I ELE 1065 EXPERIMENTO 2: Portas Lógicas OBS: A partir deste experimento se faz necessário levar o pré-lab. Pode-se utilizar o roteiro e ir preenchendo o mesmo. O preenchimento sim deve ser manuscrito. Não há necessidade de reescreve-lo. 1 OBJETIVOS Nesta aula será feita uma introdução à instrumentação básica do laboratório e serão realizados experimentos simples para familiarização com elementos discretos. 2 INTRODUÇÃO As portas lógicas são elementos básicos na montagem de circuitos digitais. Apesar de que sua aplicação esteja diminuindo, pelo uso de FPGA s e circuitos com escala de integração maiores, ainda é muito importante 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; Alimentação; GND; Entradas e saídas. Há vários tipos de encapsulamento de CIs. A 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 antihorário, como indica a figura.

2 Os manuais de 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. Além do formato do encapsulamento, também há o efeito do espaçamento ou passo, entre os terminais do CI e a sua altura. Alguns dados são fornecidos na Tab. 1. Figura 1: Alguns tipos de encapsulamento de CIs. Na Fig. 2 tem-se a pinagem do circuito integrado 7400 (NAND), 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 Características Figura 2: Pinagem do componente 7400 ( Apesar 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 versus Tensão de entrada Nos manuais há tabelas indicando parâmetros de interesse quando se trabalha com portas lógicas. Algumas delas referem-se às tensões de entrada e saída para os níveis lógicos 0 e 1. A figura 3 fornece uma relação entre a tensão de entrada e de saída de um inversor. V IH(min) : V IL(max) : V OH(min) : V OL(max) : Mínima tensão de entrada considerada como nível alto; Máxima tensão e entrada considerada como nível baixo; Mínima tensão de saída considerada como nível alto; Máxima tensão de saída considerada como nível baixo. Note: A transição não é abrupta, como pode-se observar na Figura 3.

3 Figura 3: Relação entrada-saída de um inversor. Esses valores são importantes para determinar os níveis de tensão máximos e mínimos da entrada e saída de uma porta lógica. Se esta estiver sujeita a ruídos, por exemplo, o nível de tensão pode ser modificado, o que pode causar chaveamentos indesejados Correntes de entrada e saída Além dos níveis de tensão adequados nas entradas e saídas, cada componente possui limites de corrente que pode absorver ou fornecer. Isto é importante para estabelecer, por exemplo, quantas portas lógicas podem ser colocadas na saída de 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) : I OL(max) : I IH(max) : I OH(max) : Máxima corrente fornecida por entrada em nível baixo; Máxima corrente absorvida por saída em nível baixo; Máxima corrente absorvida por entrada em nível alto; Máxima corrente fornecida por saída em nível alto Tempo de propagação Como observado, as portas lógicas são na verdade dispositivos analógicos que apresentem formas de onda contínuas. A transição do nível lógico 0 para 1 não ocorre de maneira abrupta ou imediata, o que limita a sua velocidade de operação. O tempo de propagação de uma porta lógica reflete a velocidade ou frequência que esta pode operar, e indica o tempo que uma determinada entrada leva para produzir uma saída. A Fig. 4 indica os tempos para uma configuração inversora: t PHL : Tempo para uma entrada em nível alto produzir uma saída em nível baixo. t PLH : 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. Figura 4: Tempos de propagação numa porta inversora.

4 3 PRÉ LABORATÓRIO Nota: A parte de Pre-Laboratório (item 3) e Experimental (item 4) pode e feito diretamente neste roteiro. 3.1 Introdução a) Fale sobre encapsulamento e pinagem. b) Explique o porquê de se trabalhar com o conceito de sinais digitais se na verdade os sinais aplicados às entradas e lidos nas saídas dos CIs são sinais analógicos. c) A figura 3 fornece um gráfico com a relação entre a tensão de entrada e de saída de um inversor. Estude-a muito bem (pois será perguntado a respeito na aula) e explique o que são V IH(min), V IL(max),V OH(min) e V OL(max). d) Explique o que é tempo de propagação e explique t PHL e t PLH. Nota: Se necessário pode inserir folhas (com margens) entre o item 31 e 3.2.

5 3.2 Consulte os manuais (data sheets) das portas 7400 (NAND) e 7402 (NOT): a) Desenhe e identifique os pinos (In, Out, Vcc e GND). b) Preencha a tabela com as características de entrada e saída. Vcc V OH V OL V IH V IL t PLH t PHL 7400 (NAND) c) Trace o gráficos, semelhante fig Para cada circuitos abaixo faça: As funções lógicas (na íntegra) e depois as simplifique ao máximo. Coloque passo a passo a simplificação algébrica. Monte a tabela verdade. Coloque a pinagem dos circuitos, como indicado nas figura 5d. Simulação dos seus circuitos manualmente e/ou com software adequado, fornecendo as formas de onda de saída dos circuitos. Considere que nas entradas devem ocorrer todas as combinações possíveis. Sugestão: Utilizar software MaxPlus II. (Tutorial encontra-se no site, na pagina da disciplina)

6 (Se achar conveniente pode simular com software adequado e dar um print na tela do resultado, conforme figura abaixo). Figura 5a: Circuito lógico 1. Figura 5b: Circuito lógico 2. Figura 5c: Circuito lógico 3. Figura 5d: Circuito lógico 4.

7 3.4 Considerando o circuito da figura 5a, pode-se observar na figura 6a que a mesma estava inicialmente com a entrada em nível lógico alto (1) e a saída em baixo (0), uma vez que este circuito se comporta como uma inversora. No instante t=0ms a entrada passou imediatamente para nível lógico baixo (0) e a saída demorou 5ns para alterar para nível lógico alto (1). Isto ocorre devido ao atraso (delay), ou tempo de propagação, intrínseco as portas lógicas Utilizando agora o circuito da figura 5d, considere que o mesmo está em nível lógico baixo (0) e que no instante t=0ms, a entrada passe imediatamente para nível lógico baixo (1). Utilizando a figura 6b, faça um gráfico, semelhante o da figura 6a, com o nível lógico de cada ponto ( A, X, Y, Z, S) do circuito em cada instante (5, 10, 15, 20, 25 e 30ms) considerando um delay de 5ms. Obs: Note que a saída S depende da combinação dos níveis lógicos no ponto A e Z. Não foi considerado, e não precisa ser considerado neste exercício, o tempo de subida e/ou descida em relação ao tempo (slew rate). Figura 6a: Resp. do circ. 5a. Figura 6b: Resp. do circ. 5d

8 Atenção: Antes de fazer leia todo o roteiro. 4.1 Alimentação do módulo 4 PARTE EXPERIMENTAL a) Meça e anote com o multímetro o valor de (Vcc) fornecido pelo módulo. Verifique se está dentro dos limites indicados no manual. Vcc = b) Meça e anote com o multímetro os níveis de tensão correspondentes a 0 e 1 de uma das chaves do módulo; 4.2 Curva Entrada-Saída Nível Lógico 0 (Chave para baixo) = Nível Lógico 1 (Chave para cima) = Levantar alguns pontos importantes entre entrada e saída. Monte um inversor com uma porta 7400 e monte a instrumentação como indicado na Fig. 7. NÃO CONECTAR O FIO POSITIVO DA FONTE ANTES DO PROF. OU TECNICO VERFICAR A MONTAGEM. Figura 7: Aparato para medição de curva entrada-saída. Obs: A alimentação do CI (Vcc/GND) deve ser conectada normalmente no módulo verde. Todos os terras devem estar no mesmo ponto. a) Aplique uma tensão de 0V na entrada do circuito, e anote o valor da tensão de saída, V S1 ; Valor de tensão Low na entrada V IL = Valor de tensão medido na saída V out = b) Aumente 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 V llmax. Esta tensão serve como uma medida para localizar em qual ponto da curva há uma rápida variação; Valor máximo de tensão Low na entrada V ILmax = Valor de tensão medido na saída V out = c) Coloque agora a tensão de entrada em 5V e anote o valor da saída V S0 ; Valor de tensão High na entrada V ILmax = Valor de tensão medido na saída V out =

9 d) Diminua lentamente a tensão de entrada até notar que a tensão de saída sobe rapidamente. Aumente 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 t0. Esta tensão serve como uma medida para localizar em qual ponto da curva há uma rápida variação; Valor mínimo de tensão High na entrada V ILmax = Valor de tensão medido na saída V out = e) Trace a curva utilizando, semelhante fig. 8, utilizando os valores encontrados nos itens anteriores (a, b, c, d). Não precisa inserir no gráfico V OHmin e V OLmax, apenas os V out correspondentes a V ILmax e V IHmin. Figura 8: Resposta de entrada e saída.

10 4.3 Pulsos espúrios Glitches Montar (utilizar) o circuito da figura 5d. Ajustar sinal do gerador: Ajuste o gerador de funções de modo a ter na sua saída uma forma de onda quadrada com amplitude de 0 e 5 V e frequência em 1KHz e verificar com o canal 1 osciloscópio. (NÃO COLOCAR O SINAL NO CIRCUITO SEM ANTES MOSTRAR PARA O PROFESSOR OU TECNICO) Após mostrar para o professor ou algum responsável pela aula, conectar o sinal no circuito. e com o canal 1 do osciloscópio verificar a entrada e com o canal 2 a saída. a) Ajustar inicial do Osciloscópio: (Deixar no modo acoplamento CC). Canal 1 (Ch1) no sinal de entrada (Pto A) Canal 2 (Ch2) na saída (Pto S ) Apertar o botão autoset. Ajuste vertical dos canais em 2V/div. Ajuste horizontal dos canais em 500us/div. Verificar o sinal no (Pto A) e (Pto S). Desenhar, salvar ou tirar foto para fazer depois a discussão (item 5). b) Ajustar inicial do Osciloscópio: Ajuste horizontal em 50 ns/div. Ajuste vertical dos canais em 2V/div. Desenhar sinal de entrada e saída (ponto S) verificado. Verificar o sinal no (Pto A) e (Pto S). Desenhar, salvar ou tirar foto para fazer depois a discussão (item 5). c) Ajustar inicial do Osciloscópio: Manter em 50 ns/div. Manter em 2V/div. Verificar o sinal no (Pto A) e (Pto Y). Desenhar, salvar ou tirar foto para fazer depois a discussão (item 5). d) Qual tempo de propagação médio por uma porta lógica, já que o mesmo se propaga por 4 portas. Compare com o resultado fornecido no manual? R:

11 5 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO Integrantes que fizeram aula pratica: Nome: RA. Obs: Este item será feito em casa e entregue no dia seguinte. Colocar no escaninho do professor. 5.1 Faça a discussão dos itens 4.1, 4.2 e 4.3.