ESTRUTURAS DOS CIRCUITOS

Transcrição

1 Nos primórdios da computação não exista o conceito de programa armazenado, isto significa que os programas eram desenvolvidos, executados e apresentavam os resultados imediatamente. O conceito de programa armazenado surgiu da necessidade de armazenar programas em um computador, pois, até então, ainda não havia formas de armazenar programas em um computador. John Von Neumann e outros pesquisadores descobriram que, utilizando dispositivos de memória em formas de linha de retardo de mercúrio, poderiam armazenar instruções de programas. Pra nós hoje esse conceito de programa armazenado já está muito bem edificado. Nós codificamos, desenvolvemos software em diversas linguagens de programação, armazenamos nosso código fonte em um HD externo, ou no HD interno, ou na nuvem se assim desejarmos. O código executável desses softwares compilado, que está armazenado em algum desses dispositivos, sempre passa pela memória principal, depois pela memória cache e então é executado na CPU. O conceito de programa armazenado surgiu durante o projeto EDVAC e John Von Neumann acabou recebendo a maior parte dos créditos pela definição, mas a verdade é que várias pessoas participaram da construção. John Von Neumann ganhou mais destaque que os outros por ter escrito um relatório sobre o EDVAC, com 101 páginas, descrevendo formalmente o conceito, criando assim uma espécie de guia para a construção de computadores. MODELO DE VON NEUMANN A arquitetura de um computador consiste de quatro partes principais: CPU (ULA + Controle) Memória principal Dispositivo de conexão (barramento de dados) Dispositivo de entrada/ saída. ULA UC MEMÓRIA PRINCIPAL CPU DISPOSITIVOS DE E/S BARRAMENTO A Arquitetura de John Von Neumann é referência nos estudos sobre Microprocessadores, por mais que esse tipo de sistema computacional não seja mais utilizado, foi ele o precursor de tudo o que conhecemos hoje. Para que possamos evoluir, é muito importante conhecer o passado, o que nos levou a estar no ponto onde estamos e, o que podemos fazer para melhorar ainda mais. Um barramento é apenas um caminho através do qual dados viajam num computador. Esse caminho é usado para comunicação entre dois ou mais elementos do computador. Existem vários tipos de barramentos: - Barramento do processador - Barramento de endereços - Barramento de entrada/saída - Barramento de memória página 1

2 No entanto, quando nos referimos ao barramento de um computador pretendemos quase sempre referir o Barramento de entrada/saída, o qual também é designado por slots de expansão. Este é o principal Barramento do sistema e é através do qual a maior parte dos dados circula, tendo como origem ou como destino dispositivos como as drives, impressoras ou o sistema de vídeo. Sendo este último o mais exigente em termos de recursos. Assim, será quase exclusivamente sobre o barramento de entrada/saída que este trabalho iniciará. O Barramento de Endereços é usado para indicar qual o endereço de memória ou qual o endereço do Barramento de Endereços será usado numa operação de transferência de dados. Uma vez que os equipamentos eletrônicos vêm agregando mais e mais funções, a utilização de diversos circuitos integrados torna-se cada vez mais comum. No entanto, não é mais possível estender longos barramentos de comunicação paralelos, pois tornariam as placas de circuito impresso caras e muito grandes. Logo, uma comunicação serial entre esses dispositivos se torna necessária. Diversas tecnologias de interligação serial entre dispositivos foram desenvolvidas, podendo ser separadas em duas grandes categorias, a comunicação síncrona e a comunicação assíncrona. Dentre os métodos de comunicações mais conhecidos, destacam-se três: UART - UNIVERSAL ASYNCHROUNOUS RECEIVER/TRANSMITER Em todo sistema em que dados digitais devam ser transmitidos e recebidos na forma serial, existe um elemento importante presente, que devem ser entendidos. As UARTs existem com a finalidade de converter dados paralelos para a forma serial e vice versa, as UARTs estão presente nos modems e em muitos outros equipamentos. UART é o acrônimo página 2

3 SPI - SERIAL PERIPHERAL INTERFACE A comunicação SPI possui algumas características básicas. Primeiramente os sinais de comunicação possuem uma direção fixa e definida. Isso significa que sempre existem dois transistores definindo o estado de um pino (Push-Pull). Essa característica é uma das grandes diferenças entre outras comunicações seriais como I2C e OneWire, que possuem um mesmo barramento de dados para os sinais de entrada e saída através do esquema de dreno-aberto (Pull-Up). Apesar de utilizar dois sinais de comunicação de dados em vez de um, é possível atingir velocidades maiores de comunicação. Isso porque há pouca deformação do sinal. Outra característica é que toda troca de dados acontece sempre em ambas as direções. Em outras palavras, cada bit trocado entre o Master e um Slave trás um bit do Slave para o Master. Dessa forma, definimos que a comunicação é sempre full-duplex. I2C - Inter Integrated Circuit A comunicação serial assíncrona pelo uso do padrão UART (RS232) apresenta grandes vantagens no uso de uma comunicação serial síncrona em detrimento da assíncrona. Além disso, há grandes diferenças mesmo entre os protocolos síncronos. Apesar do padrão de cada protocolo definir limites máximos de taxas, cada fabricante possui a liberdade de desenvolver dispositivos com suas velocidades. Comparativo entre diversos padrões dispositivos seriais: página 3

4 FUNCIONAMENTO DE UMA PORTA LÓGICA Os circuitos digitais operam em dois níveis de tensão diferentes: Baixo (low - L) e Alto (high - H) Geralmente, o nível baixo corresponde ao valor Lógico 0 e o Nível Alto corresponde ao valor Lógico 1. As Portas Lógicas são blocos de construção básicos na eletrônica digital. A relação entre a(s) entrada(s) e a saída de uma porta lógica pode ser exprimida numa tabela verdade. INVERSOR, PORTA NÃO (NOT GATE) E SEGUIDOR (BUFFER) Um inversor é uma porta lógica que tenha apenas uma entrada. A sua saída é o estado lógico complementar da sua entrada. O Inversor é também designado como a porta NÃO. Um seguidor é outra porta lógica com apenas uma entrada, e a sua saída segue o mesmo estado lógico da sua entrada. O seguidor é utilizado como um elemento de atraso na eletrônica digital. É também um elemento para esforçar a corrente, que aumenta a capacidade de saída de forma a conduzir outras portas. O símbolo esquemático de um inversor e um seguidor básico juntamente com as respectivas, tabelas são mostrados abaixo. PORTAS NÃO E (NAND) E E (AND) Uma porta E é uma porta lógica que tem duas ou mais entradas. A sua saída é 1 se e somente se, todas as suas entradas são 1. Uma porta NÃO E é uma porta lógica que tem duas ou mais entradas. A sua saída é 0 se e somente se, todas as suas entradas são 1. O símbolo esquemático de uma porta E com duas entradas e uma porta NÃO E com duas entradas, com as respectivas tabelas verdade são mostrados abaixo. página 4

5 PORTAS NÃO OU (NOR) E OU (OR) Uma porta OU é uma porta lógica que tem duas ou mais entradas. A sua saída é 0 se e somente se, todas as suas entradas são 0. Uma porta NÃO OU é uma porta lógica que tem duas ou mais entradas. A sua saída é 1 se e somente se, todas as suas entradas são 0. O símbolo esquemático de uma porta OU e uma NÃO OU com duas entradas e suas respectivas tabelas, é mostrado abaixo. PORTAS TRI-STATE Existem situações nas quais diversos dispositivos digitais têm de compartilhar o uso de um único fio para transmitir um sinal para um dispositivo de destino, situação muito parecida com aquela em que vários vizinhos compartilham a mesma rua. Isso significa que vários dispositivos devem ter suas saídas conectadas no mesmo fio que basicamente conecta todos eles um ao outro. Para todos os dispositivos lógicos considerados até este momento, isso representa um problema. Cada saída tem dois estados, ALTO(H) e BAIXO(L). Quando uma saída está em nível ALTO(H) enquanto a outra está em nível BAIXO(L), e quando elas são conectadas juntas, temos um conflito ALTO(H) / BAIXO(L). Assim como em uma luta de braço, o mais forte ganha. Nesse caso, o circuito com transistor cujo transistor de saída tiver a menor resistência no estado "ON conduzirá a saída em sua direção. A maioria dos sistemas digitais utiliza barramentos (BUS). Os barramentos são linhas às quais se liga um conjunto de dispositivos. No entanto, não podemos ligar duas portas lógicas standard a uma mesma linha, por risco de curto-circuito. As portas lógicas standard operam apenas com dois valores lógicos: 0 e 1. As portas tri-state podem gerar na saída, além do 0 e do 1, um terceiro valor, altaimpedância, habitualmente referido como Z. Quando a saída está no estado de alta-impedância é como se a porta estivesse desligada do circuito. Além das entradas convencionais, a porta tri-state tem uma entrada adicional, designada por um pino de habilitação E(enable). Quando o enable está ativado, a porta funciona normalmente. Quando o enable está desativado, a saída da porta é desligada do circuito. As portas lógicas tri-state permitem ligar duas saídas ao mesmo ponto, sem curto-circuito, desde que apenas uma delas esteja ativa de cada vez. Nota: não é possível ligar as saídas de página 5

6 2 portas standard ao mesmo ponto, porque ocorrerá um curto-circuito se a saída de uma for 0 e a saída da outra for 1. O sinal SELECIONA escolhe qual dos circuitos A ou B é ligado à saída. O inversor garante que apenas um dos buffers está ativo de cada vez: SELECIONA = 1 Buffer de cima ativo SELECIONA = 0 Buffer de baixo ativo LIGAÇÃO A BARRAMENTO Abaixo segue um exemplo de ligação de três portas tri-state ao mesmo barramento (BUS). É necessário garantir que apenas um de C1, C2 e C3 está ativo de cada vez. Nesta condição, pode dizer-se que: página 6

7 SAÍDAS LÓGICAS TRISTATE (TRÊS ESTADOS) A configuração tristate é um terceiro tipo de circuito de saída usado nas famílias TTL e CMOS. Esse tipo de saída aproveita a vantagem da operação em alta velocidade das configurações de saída pull-up/pull-down ao mesmo tempo, permitindo que as saídas sejam conectadas juntas para compartilharem um fio comum. Ela é denominada tristate porque permite três estados na saída: ALTO, BAIXO e alta impedância (Hi-Z). O estado de alta impedância é uma condição na qual os dois transistores, pull-up e pull-down, são desligados (OFF) de modo que o terminal de saída fica em alta impedância tanto para GND quanto para a tensão de alimentação +V. Três condições de saída tri-state VANTAGEM DO TRISTATE As saídas dos CIs com tristate podem ser conectadas juntas (compartilhando o uso de um fio comum) sem sacrificar a velocidade do chaveamento. Isso é conseguido graças à saída tristate que, quando habilitada. Entretanto, é importante perceber que quando saídas tristate estão conectadas juntas, apenas uma delas deve ser habilitada de cada vez. Caso contrário, duas saídas ativas competiriam pelo controle do fio comum, provocando altas correntes e produzindo níveis lógicos inválidos. página 7

8 Para ligação de portas lógicas TTL, devemos lembrar a necessidade de compartilhamento de duto (fio) a uma saída em alto e outra em baixo conectadas juntas. Neste caso os efeitos são inóspitos aos circuitos, no âmbito de aumento de corrente. Saída Nível de sinal Transistor Estado Transistor Estado A 1(HIGH) Q3A Saturação Q4A Corte Saída Nível de sinal Transistor Estado Transistor Estado B 0(LOW) Q3B Corte Q4B Saturação página 8

9 CIRCUITOS DE SAÍDA EM COLETOR ABERTO O open coletor (coletor aberto) é um tipo de saída muito usada, pois nos circuitos de mudanças de níveis de sinais (TTL / MOS ou MOS / TTL, etc,) é esse o circuito que está presente. Emissor comum, se da pelo fato do sinal de entrada está entre a base e o emissor e o sinal de saída está entre o coletor e o emissor e o ponto comum entre a entrada e saída é o emissor. No figura 01, temos o circuito 01, podemos observar que existe somente um resistor R1(resistor de base), colocado entre a base e o sinal de entrada do circuito. RESISTOR DE BASE Esse resistor limita a corrente entre o circuito que fornece o sinal, e a base do transistor Q1. Para calcular esse resistor dependeremos: corrente de saída, Ganho (HFE) do transistor e nível de tensão de entrada. Analisando o circuito pelo lado prático: página 9

10 No cálculo acima não consideramos o valor da baixa resistência entre base e emissor, porque a mesma é menor que 10R, e por isso a consideramos um curto circuito. Nesse tipo de circuito normalmente usaremos transistores de ganho muito alto. A maior parte desses transistores tem um ganho que variam entre 100x chegando ate 400x (HFE). Com uma corrente de entrada de 300uA como visto na primeira linha da tabela 01, a saída pode ter uma corrente de 30mA. Encontramos esse valor da seguinte forma: IC = HFE x ib => (30mA = 0.03 A = 100x300uA). 100x0,003A => 0,3A Logicamente consideramos a menor amplificação possível PROJETANDO ACIONAMENTOS TRANSÍSTORES É um componente eletrônico semicondutor com várias funções: - Amplificador de sinal (tensão) - Comutador de circuitos - Amplificador e regulador de corrente. A palavra transístor resultou da justaposição das palavras transfer + resistor, isto é, resistência de transferência, visto poder ser considerado como uma resistência, fixa ou variável colocada entre o gerador e a carga. Podemos encontrar esse componente nas configurações NPN ou PNP, ambas apresentando em seu exterior três terminais que estão ligadas internamente a cada uma das três zonas de condução. O datasheet de cada transístor indica quais são os terminais de cada transístor. página 10

11 ZONAS DE FUNCIONAMENTO Para o modelo Bipolar apresentado, existem duas junções que irão apresentar zonas de funcionamento diferentes, consoante as junções base-emissor e base-coletor que, se encontram polarizadas direta ou inversamente. Os transístores têm três zonas de funcionamento distintas: Ativa - Junção base-emissor polarizada diretamente e junção base coletor polarizada inversamente. TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR Um transístor funciona como amplificador, quando a corrente de base oscila entre zero e um valor máximo. Neste caso, a corrente de coletor é um múltiplo da corrente de base. Se aplicarmos na base do transistor um sinal, vamos obter uma corrente mais elevada no coletor proporcional ao sinal aplicado: página 11

12 TRANSISTOR COMO CHAVE Caso 1. Existe corrente elétrica entre os pinos Coletor e Emissor do transistor. Tipo de estado: TRANSISTOR FECHADO OU SATURADO Caso 2. Transistor em corte ou aberto: Não há passagem de corrente elétrica entre os pinos Coletor e Emissor. TIPO DE ESTADO: TRANSISTOR EM CORTE OU ABERTO APLICAÇÃO EXEMPLO 1 Para acionar o motor de uma bomba hidráulica, foi solicitado realizar esse acionamento via. Sabendo que a bobina do relé selecionado possui uma resistência de 500Ω. A fonte de alimentação utilizada tem 12VDC. Diante dos dados citados, pretende-se dimensionar o acionamento e apresentar a corrente IC. 24mA será a corrente máxima que nosso circuito irá drenar do coletor para emissor quando o transistor estiver saturado (fechado). página 12

13 DIMENSIONAR O RESISTOR DE BASE (RB) Existe uma relação entre corrente de coletor e correte de base, sabendo desta relação poderemos calcular nosso resistor. Algumas literaturas técnicas chamam essa relação de hfe e outras chamam de Beta (β), nada mais é que, o ganho do transistor. Significa dizer que um componente cujo hfe ou β = 200 a corrente de base poderá ser até 200 vezes menor que a corrente de coletor que ainda assim vamos saturar o componente. Utilizando o EXEMPLO 1: Caso o nosso transistor possua um hfe = 200. Utilizaremos a seguinte fórmula: 200 = 0,024A/IB IB = 0,024A/200 IB = 0,00012 A ou 120uA 120uA será a IB (corrente de base) para que o transistor fique saturado e tenha corrente máxima necessária para acionar o relé com resistência de 500Ω. Agora que sabendo o valor de IB é possível calcular o resistor de base (R1). Para isso, utilizaremos a 1 lei de ohm. R1 = 5V/0,00012A R1 = 41666,66 Ω Podemos aproximar esse valor para o próximo maior na tabela comercial. página 13

14 Utilizando os valores calculados nosso circuito fica da seguinte forma. LOCALIZANDO O hfe OU β DO TRANSISTOR Os valores de hfe são dados pelo fabricante do transistor, utilizando como exemplo o transistor modelo BC337. Segundo a carta do fabricante, o hfe vai de 100 (mínimo) e 630(máximo), ou seja, possui uma janela relativamente grande, pode ser que você compre dois transistores do mesmo fabricante e ele possua hfe diferentes dentro desse limite estimado pelo fabricante. PROJETAR UM CIRCUITO A regra geral é utilizar sempre o menor valor de hfe dado pelo fabricante no datasheet, desta forma você garante que o transistor estará saturado e funcionando como chave fechada quando polarizado. página 14

15 Fonte: MEDIR HFE NO MULTÍMETRO Nem todos os multímetros possuem essa função, caso essa função exista, você deverá saber se o transistor que você está verificado é do tipo PNP ou NPN. Essas informações estão no datasheet do componente. ARQUIVOS DE AUXILIO 1. Atmega328 página 15