Guia o MultiSim 2001

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1 Guia o MultiSim 2001 Descrição Este documento é um guia rápido de utilização do MultiSim 2001, usado nas disciplinas de Engenharia que envolvem a simulação de circuitos analógicos e digitais. A utilização do MultiSim 2001 permite: De uma forma simples, entender o funcionamento dos Circuitos a estudar Gerar documentação técnica em ambiente educacional Lançamento e comandos básicos No computador do Laboratório deverá estar instalado o MultiSim O lançamento poderá ser efectuado das seguintes maneiras alternativas: Através da tecla do Windows Com Start -> Search - Multisim Com Start -> All Programs Clicar com o botão esquerdo do rato Após o lançamento deverá aparecer uma janela da aplicação, após algumas mensagens, semelhante à da figura seguinte. Para sair do programa, fazer File Exit na Barra de Comandos. Página: 1

2 1. Começar um circuito novo; Abrir um ircuito pré-existente; Gravar o circuito activo 2. Zona de biblioteca de modelos de componentes digitais e analógicos 3. Ligar/Desligar a simulação 4. Aumentar/Encolher a zona de trabalho 5. Zona de ferramentas de análise dos circuitos 6. Barra de Comandos Parametrização antes de começar Antes de começar a colocar componentes e a ligá-los convém tornar o ambiente de trabalho mais agradável e compreensivel ao utilizador: 1. Colocar a grelha, a cercadura e a caixa de informação na zona de trabalho Com o cursor em cima da Zona de Trabalho, clicar no botão do lado direito do rato; assegurar que as check boxes da figura seguinte estão activas. 2. Definir as cores da Zona de Trabalho: Página: 2

3 Na figura anterior clicar em Color e escolher um esquema de cores eficiente(ver figura seguinte). O esquema White & Black é o mais eficiente em termos de poupança de tinta da impressora e é suficientemente legível. 3. Definir a informação que aparece nos componentes na Zona de Trabalho: Na Barra de Comandos fazer Options, escolher Preferences e colocar no Tabulador Circuits as check boxes activas da figura seguinte. 4. Definir o tamanho da Zona de Trabalho: 5. Escolher agora o Tabulador Workspace da figura anterior e escolher um tamanho adequado à complexidade do circuito segundo a figura seguinte. O tamanho pode ser alterado em qualquer altura. Nota: Esta parametrização ficará guardada no computador, sendo efectuada apenas uma vez. Página: 3

4 Simulação do Primeiro Circuito A simulação só pode ser efectuada se existir um circuito válido devidamente alimentado (tem de existir uma fonte de tensão e uma referência GND) na Zona de Trabalho. Os passos aseguintes descrevem, de um modo geral, os passos para se simular com sucesso um circuito digital. Para os circuitos analógicos o procedimento é muito semelhante. 1. Colocação na zona de trabalho a(s) fonte(s) de tensão: Na barra da Zona de biblioteca de componentes escolher Sources (1) e de seguida DIGITAL_GND (2), tal como se indica na figura seguinte. 2. Colocação de interruptor inversor: Na barra da Zona de biblioteca de componentes escolher sucessivamente Basic (1), Switches (2) e finalmente SPDT, aparecendo um interruptor com três polos. Com o cursor em cima do interruptor clicar no botão da direita e selecionar Flip Horizontal - ver figuras seguintes. 3. Colocação de uma Ponta de Prova: Na barra da Zona de biblioteca de componentes escolher sucessivamente Indicators (1) e PROBE. Colocar o componente na Zona de Trabalho (3) (ver figura seguinte). Página: 4

5 4. Arrumar os componentes e ligá-los: Carregando no botão esquerdo do rato permanentemente com o cursor em cima de um componente permite mudá-lo de local na Zona de Trabalho. Colocando o cursor num polo de um componente, o cursor muda de aspecto indicando que é um ponto de ligação (1). Clicando no botão esquerdo do rato nessa situação inicia-se uma ligação a partir desse polo (2). Clicando agora num polo de outro componente estabelece-se uma ligação entre os dois componentes. A figura seguinte mostra o circuito final pronto a ser simulado. 5. Dar inicio à Simulação ( Ligar a Torradeira ): A figura seguinte mostra a simulação a decorrer. Clicar no Interruptor assinalado (1) para que mude para a posicão de ligado. Carregar sucesivamente na tecla SPACE e observar o comportamento dos componentes SPDT e PROBE (3) e (4). Nota: Verificar na zona assinalada (2) o tempo a decorrer. Página: 5

6 Explicação da Simulação do Primeiro Circuito O circuito da figura anterior é apenas um interruptor que liga/desliga uma lâmpada. Para a lâmpada acender, é necessário que se estabeleça uma ligação a uma fonte de energia a fonte de alimentação VCC (5 Volt). A lâmpada é simulada pelo modelo da PROBE, cuja especificação é acender quando a tensão ao seu polo é superior ou igual a 2,5 Volt. Quando a ligação do SPDT está virada para cima, temos a lâmpada alimentada com 5 Volt, > que 2,5 Volt, logo acende. Quando a ligação do SPDT está virada para baixo, a lâmpada está ligada a GND (0 Volt), logo fica apagada. O SPDT simula o estado lógico binário 0 (zero) quando está ligado a GND (Massa, Terra, Referência...). O estado binário 1 é representado pela ligação eléctrica ao polo positivo (+) da fonte de alimentação VCC (5 Volt). Este é o principio base do funcionamento dos computadores digitais, que funcionam só com 0 e 1, ausência de tensão (0 Volt) ou existência de VCC (5 Volt) respectivamente. Os interruptores aqui representados pelo modelo SPDT são na realidade transistores, aliás milhões e milhões deles, que ligando e desligando a grande velocidade representam a informação manipulada e armazenada nos computadores de hoje. Trata-se apenas de codificação binária de informação que é manipulada electrónicamente. Página: 6

7 Nota: A simulação pode ser parada momentãneamente clicando Pause em (1). A referência à Torradeira deve-se a um aluno em tempos ter afirmado que o botão se assemelhava ao de uma torradeira a sério. Como o MultiSim tem um problema de gestão de memória matéria a aprender em disciplina evoluída de engenharia informática, em que se a simulação estiver ligada alguns minutos, o programa absorve os recursos do sistema operativo (a memória) ficando o mesmo muito lento, ou seja, temos uma torradeira sem sensor de temperatura, pelo que as torradas ficam queimadas ao fim de algum tempo. Conclusão: antes que o programa e o computador fiquem parados, convém desligar a Torradeira o mais rapidamente possível sempre que os resultados da simulação tenham sido obtidos satisfatoriamente. Simulação da porta lógica NOT (NOT) Partindo do circuito anterior, introduzir agora a porta lógica NOT secção A do circuito integrado 74LS04. Na barra da Zona de biblioteca de componentes escolher sucessivamente TTL (1), 74LS (2) e 74LS04D (3). Escolher a secção A e colocar a porta lógica na Zona de Trabalho (ver figura seguinte). Redesenhar o circuito tal como se pode ver na seguinte figura. Página: 7

8 Nota: Clicando em cima de um objecto, inclusive uma ligação, seleccionamos esse objecto, pelo que com a tecla DELETE podemos apagá-lo. Para a PROBE, visto que é um componente, é preferível ir buscá-lo à biblioteca em vez de fazer copy/paste. Simulando o circuito obtém-se um efeito de luzes de Natal. Explicação do funcionamento da porta lógica NOT (CI 74LS7404D) Tal como foi explicado atrás, os valores lógicos 1 e 0 são na realidade sinais eléctricos com ou sem tensão respectivamente. Esses sinais podem variar no tempo (o interruptor a mudar faz acender a lâmpada ou apagá-la ao longo do tempo). Uma descrição de tal comportamento pode ser representada por um Diagrama Temporal: 1 0 OFF t ON OFF ON Nota: 1 pode ser interpretado como Ligado ; ON ; Aceso ; H ; High 0 pode ser interpretado como Desligado ; OFF ; Apagado ; L ; Low Os sinais eléctricos podem ser modificados por circuitos electrónicos, que é o caso das portas lógicas. A porta Lógica NOT tem a capacidade de transformar um 0 num 1 e vice-versa. O diagrama temporal para o circuito do NOT em relação aos pontos A e B é o seguinte: A B Nota: A partir deste momento, promove-se o carregamento de Circuitos Multisim pré-gravados. Página: 8

9 Explicação do funcionamento das porta lógicas convencionais AND (CI 74LS08D); OR (CI 74LS32D); NOT (CI 74LS04D); NAND (CI 74LS00D); NOR (CI 74LS02D); XOR (CI 74LS86D) Carregar o Circuito Portas_Logicas 1. A funcionamento da porta lógica AND é descrito pelo seguinte Diagrama Temporal : A B AND 2. A funcionamento da porta lógica OR é descrito pelo seguinte Diagrama Temporal : A B OR 3. A funcionamento da porta lógica NAND é descrito pelo seguinte Diagrama Temporal : A B NAND Página: 9

10 4. A funcionamento da porta lógica NOR é descrito pelo seguinte Diagrama Temporal : A B NOR 5. A funcionamento da porta lógica XOR é descrito pelo seguinte Diagrama Temporal : A B XOR Notas sobre a série de Circuitos Integrados 74LSXX: 1. LSI Low Scale Integration Lógica convencional, portas lógicas: Formato uniformizado: 14 pinos, com marca no pino 1, pinos crescentes no sentido contrário aos dos ponteiros do relógio ( anticlockwise ) Alimentação VCC (5V) no pino 14; Referência (GND) no pino 7 2. MSI Medium Scale Integration Mais Funcionalidade: Formato uniformizado: 16 pinos, com marca no pino 1, pinos crescentes no sentido contrário aos dos ponteiros do relógio ( anticlockwise ) Alimentação VCC (5V) no pino 16; Referência (GND) no pino 8 Página: 10

11 Circuitos MSI Medium Scale Integration - Funcionalidade 1. Multiplexers (74LS151 8x1; 74LS153 2x4x1; 74LS157 4x2x1) Carregar o circuito Mux2_1.msm da pasta MSI Os multiplexers (MUXes) permitem escolher uma de n entradas (em número potência de 2 2, 4 e 8) através de entradas de selecção binárias. Para um Mux 2:1, temos uma entrada de selecção (S) e duas entradas A e B. Se S=0 a sída é a entrada A, se S=1 a saída mostra a entrada B. Para um Mux 4:1 já temos a possibilidade de escolher uma de 4 entradas a partir de duas linhas de selecção (S1,S0). Note-se que 2^2=4. O mesmo para o Mux de 8:1 em que são necessárias 3 linhas de selecção (S2,S1,S0 2^3 = 8). Os Multiplexers são muito utilizados na implementação de circuitos combinatórios a partir de uma tabela de verdade descritiva de um problema lógico. Carregar o circuito N_P.msm da pasta MSI Nota: É possível fazer uma expansão de multiplexers para 16:1, 32:1, etc. Uma combinação de Muxes: p.ex, dois Muxes 8:1 e um mux 2:1 expandem para um Mux de 16:1 Página: 11

12 2. Somadores, descodificadores e comparadores integrados Carregar os circuitos Sum4.msm e Cmp_Lab5 da pasta MSI Com o circuito Sum4 é possível verificar o funcionamento de um somador binário de 4 bits. O componente DCD_HEX é um modelo de um dispositivo Display de 7 Segmentos controlado pelo descodificador 74LS47. Este circuito integrado transforma o número binário representado por 4 bits (de pesos 8421) em 7 sinais digitais que ligam aos segmentos dos displays (leds)de modo a mostrar os dígitos hexadecimais. Por outro lado, o circuito Cmp_Lab5 mostra o menor número apresentado. Para realizar a funcionalidade, primeiro faz-se a comparação dos dois números binários com um comparador integrado 74LS85. Depois o resultado é usado para seleccionar num Mux 4x2:1 o número. Circuitos com memória Contrariamente aos circuitos combinatórios tratados anteriormente circuitos que podem ser descritos com uma tabela de verdade, i.é, para a mesma combinação das entradas, temos sempre as mesmas saídas, os circuitos com memória apresentam saídas diferentes para as mesmas entradas. Nessa situação, o circuito é descrito por uma tabela de funcionamento. Os circuitos com memória podem ser facilmente identificados porque existe uma realimentação das saídas para as entradas. Exemplo simples são o Caça 0, o LATCH _S,_R e o Flip-Flop. Carregar o circuito Caca0_2_Rearme.msm da pasta Fundamentos_FF Página: 12

13 _RES SET Realim/ Realim/ X1 1 2 M 3 M 2 M 3 M 1 Indefinição estado de memória depende do valor na realimentação. 2 SET (coloca X1 = 1 Rearme) 3 _RES (coloca X1 = 0 Caçou o 0 ) M Estado de Memória indica qual foi o último a ser accionado (X1= 0, foi o _RES) Notas: _RES indica activo a 0 A acção é um impulso a 0 De notar o efeito memória: o Realimentação (a saída liga a uma entrada) o SET (Rearme) o circuito fica pronto a caçar o 0 em _RES o X1 indica se _RES foi a 0 algures no passado (aós Rearme). o Se X1 = 0 (após Rearme), _RES foi a 0 no passado, mesmo que esteja a 1 no momento da análise. Se X1 = 1 após Rearme, então _RES nunca foi a 0 no passado (esteve sempre a 1 ). Uma versão melhorada do circuito anterior será a inclusão de uma porta lógica OR em vez do interruptor SET. O problema é que o circuito não é simétrico e obriga a dois circuitos integrados diferentes. O problema foi resolvido com o LATCH _S,_R Aplicações: O princípio de funcionamento dos sistemas anti-intrusão/alarmes A linha _RES pode ser ligada a um interruptor numa porta para se saber se foi ou não aberta no passado. Página: 13

14 Flip-Flops comerciais Os FF comerciais são os 74LS112 (JK edge trigger negativo) e 74LS74 (D edge trigger positivo). O FF 112 é derivado directamente do FF SR MS (ver pasta Fundamentos_FF2). O /4LS74 é um 112 com dois NOTs um no CLK, e outro no K em que J=D, K = _J. CLK CLK ~PR _Preset coloca Q=1 com um impulso a 0 (assíncrono) ~CLR _Clear coloca Q=0 com um implulso a 0 (assíncrono) CLK O FF muda a saída apenas no flanco (edge) negativo 112, positivo 74 J,K,D entradas Q,~Q saídas (~Q é a saída Q negada) Notas: Um impulso a 0 em ~CLR e ~PR coloca imediatamente a saída Q=0 ou 1 respectivamente. ~PR e ~CLR não podem ser activados ao mesmo tempo (fica Q=~Q, o que é uma incongroência). Com ~CLR e ~PR inactivos (a 1 ) o FF funciona pela TF (Tabela de Funcionamento) só muda as suas saídas com o flanco de CLK. Carregar FF_com.msm da pasta Fundamentos_FF Página: 14

15 Registos e contadores 1. Os registos são conjuntos de Flip Flops do tipo D associados em número de 4, 6, 8 mais num único circuito integrado. As saídas dos FF têm um buffer tristate de modo a poder desligá-los digitalmente do circuito. O termo tristate que dizer três estados: 0 (GND), 1 (VCC=5V) e Z desligado (é como se a saída do FF desaparecesse do circuito). Com o buffer (regenerador de sinal) com estas características é possivel partilhar uma linha digital por vários dispositivos, desde que apenas um deles esteja activo. A linha de Ligar/Desligar geralmente designa-se por _OE Output Control. Um registo típico será o 74LS374 com 8 FF tipo D com uma linha de CLK comum e o sinal _OE controla a saída do mesmo (Activo/Inactivo). Carregar Seq_2reg_manual da pasta Registos Este circuito permite verificar o funcionamento de 2 registos num barramento (Bus) de 8 bits. Várias operações poderão ser efectuadas tais como carregar o registo A a partir dos interruptores e do Buffer discreto 74LS244 que isola os interruptores do Bus interno. 2. Os contadores são circuitos realizados com uma série de FF em modo Toggle (Qseg = ~Qact) - J,K = 1 ou D=~Q, respectivamente no JK e D. Nota: Qseguinte após flanco do CLK; Qactual antes do flanco do CLK Carregar em sequência os circuitos da pasta Contadores Notas: O efeito de flicker no DCD_HEX do circuito assíncrono quando um maior número de bits varia O efeito de flicker ficar resolvido com o circuito contador síncrono (o CLK dos FF é comum ou seja, reagem todos ao mesmo tempo). A função ~PR e ~CLR para inicializar a contagem A contagem crescente e decrescente No contador pseudo aleatório, basta trocar uma inicialização ou ligação para a contagem ficar totalmente diferente. A funcionalidade acrescida nos contadores integrados 74LS160/1 O funcionamento síncro do ~CLR do 161 e assíncrono do 160. O funcionamento síncrono do ~LOAD Página: 15

16 Memórias e o modelo dos diodos Uma memória ROM (Read Only Memory) permite ler uma palavra de n bits (coluna) por cada posição ou endereço (linha). O modelo de diodos permite explicar de forma simples o funcionamento da ROM e como armazena de modo permanente uma série de palavras binárias. A figura seguinte mostra a constituição da ROM: 1. Um descodificador bindec 74LS138 de três bits que apresenta 8 saídas activas a 0 (as linhas que definem a palavra) 2. n colunas que definem o tamanho de cada palavra 3. Ligando um diodo entre cada linha e coluna coloca-se permanentemente um 0 nessa posição. Colocando um contador integrado em free-running a varrer (endereçar) as 4 posições de modo crescente (de 0 a 30...) podemos obter no DCD_HEX a seguinte contagem: 6, 5, 3, 2, 6... Os n bits de cada linha podem ser divididos em Campos, cada um com a sua funcionalidade. Um campo pode ligar á entrada de um Registo e definir a linha seguinte a ser endereçada, e outro campo poderá ligar a um DCD_HEX definindo uma saída binária programável. Página: 16

17 Carregar Seq_final.msm da pasta Memorias O circuito apresentado permite realizar um sequenciador simples de 8 posições de memória: Programar a partir do endereço 0 até ao 5 sucessivamente 1, 2, 3, 4, 5 e 0 nos três bits do campo ES2 ES1 ES0 Simular e verificar que o circuito varre as 6 posições de memória sequêncialmente. Programar agora o campo de 4 bits da saída com valores HEX. Simular e verificar o funcionamento Nota: Inicializar a saída do Registo a 0 com um impulso a 1 de R. Página: 17