CIRCUITOS COM COMPONENTES DISCRETOS

IRUITOS OM OMPONENTES DISRETOS D.T. e J.R../2001 (revisão) E.T.M./2003 (revisão da parte experimental) E.T.M./2004 (revisão) E.T.M./2005 (revisão) RESUMO Nesta experiência são apresentados circuitos com componentes da família TTL e que apresentam características especiais. Tais circuitos, na maioria dos casos, são de simples implementação e grande utilidade, e cujo comportamento nem sempre pode ser deduzido de forma imediata. São apresentados também circuitos envolvendo portas lógicas e componentes discretos, tais como resistores, capacitores, cristais e diodos, que implementam osciladores, circuitos limpa ao ligar, pulsos em bordas de sinais, etc. 1. PRTE TEÓRI Embora os projetos de circuitos digitais sejam caracterizados pelo uso de componentes sob a forma de circuitos integrados, algumas vezes o projetista recorre a componentes discretos para a implementação de determinados circuitos. omponentes como resistores, capacitores, cristais, diodos e transistores, quando utilizados com circuitos integrados digitais, permitem a obtenção de circuitos muitas vezes simples e de grande utilidade. Os circuitos mais comuns com as características mencionadas são: atrasadores, osciladores, circuitos limpa ao ligar, de debouncing, etc. Em alguns desses circuitos, a escolha dos valores dos componentes discretos obedece a critérios práticos, nem sempre existindo uma fórmula precisa de cálculo. O princípio de funcionamento dos principais circuitos mencionados é descrito nos itens a seguir. 1.1. ircuitos trasadores 1.1.1. trasador de Uma orda O circuito da figura 1.1 permite a obtenção de um sinal atrasado no ponto, em relação ao ponto. O atraso depende dos valores R1 e 1, que devem ser dimensionados de forma a se manterem os níveis lógicos no ponto, e também de forma a não provocar atraso incompatível com o período ou a largura dos pulsos no ponto. GERDOR DE PULSOS D R1 1 Figura 1.1 - ircuito trasador de Uma orda. 1.1.2. trasador de Duas ordas O circuito da figura 1.2 permite a obtenção de um sinal atrasado no ponto, em relação ao ponto, sendo que esse atraso não é igual para a borda de subida e de descida do pulso. O atraso, que é maior na borda de subida, depende dos valores de R2 e 2, que devem ser dimensionados segundo as mesmas recomendações do item anterior. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 1

GERDOR DE PULSOS D R2 2 Figura 1.2 - ircuito trasador de Duas ordas. 1.1.3. Uso de ircuitos trasadores para a Geração de Pulsos O circuito atrasador apresentado no item anterior pode ser utilizado para a geração de pulsos estreitos a cada transição do sinal de entrada, conforme apresentado na figura 1.3 (próxima página). Observando-se a figura, tem-se pulsos nos seguintes pontos, em relação ao ponto : pontos e D: pulsos na borda de descida; pontos E e F: pulsos na borda de subida; pontos G e H: pulsos nas bordas de descida e subida. 1.3. Osciladores 1.3.1. Osciladores de Saída TTL É possível a elaboração de osciladores com saída TTL de maneira simples e a baixo custo, como mostra a figura 1.4. freqüência obtida com esse tipo de circuito varia na faixa de 10 KHz a 5 MHz. om os valores sugeridos na tabela da figura 1.4, obtém-se formas de onda com 60% de nível 1 e 40% de nível 0. Na figura 1.4 tem-se uma implementação com portas inversoras, enquanto na figura 1.5 são utilizadas portas NE, com sinal de liberação do sinal de relógio. 100 330 D RELÓGIO E RELÓGIO Freqüência 200 pf 5 MHz 1600 pf 1 MHz 0,018 µf 100 KHz 0,18 µf 10 KHz Figura 1.4 - Oscilador com R. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 2

GERDOR DE PULSOS D Y D E E F F G G H H Figura 1.3 - Geração de Pulsos com ircuitos trasadores. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 3

100 330 RELÓGIO LIER Figura 1.5 - Oscilador com R e loqueio 1.3.2. Oscilador de Relaxação Uma alternativa de simples implementação envolve o uso de portas com a característica schmitt trigger, apresentada na figura 1.6. Usualmente utilizam-se resistores na faixa de 220 Ω a 1 kω e capacitores na faixa de 2,2 nf a 22 µf, obtendo-se freqüências de até alguns MHz. R5 7413 RELÓGIO 5 Figura 1.6 - Oscilador de Relaxação. Os circuitos integrados do tipo schmitt trigger apresentam um comportamento de um TTL comum. Sua identificação é representada pelo símbolo colocado dentro do símbolo convencional das portas lógicas. Uma porta inversora lógica TTL comum, quando recebe em sua entrada um sinal que varia lentamente com o tempo (por exemplo, um sinal senoidal), fornecerá em sua saída uma forma de onda ligeiramente mais quadrada que a entrada, devido aos limiares de chaveamento. Entretanto, o inversor pode permanecer em sua região de incerteza por um tempo considerável, podendo o sinal de saída não apresentar um sinal conveniente para muitas aplicações (por exemplo, clocks de flip-flops). O circuito com característica schmitt trigger apresenta dois níveis de limiar para reconhecimento dos níveis 0 e 1 (figura 1.7). Os níveis de entrada que ficam entre os dois limiares de histerese não causam mudanças na saída. O dispositivo quadra as bordas de transição que aparecem em suas entradas, melhorando (ou seja, diminuindo) os tempos de subida e queda de um sinal que varia lentamente de estado. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 4

7413 E S REGIÃO DE HISTERESE E S Figura 1.7 - Inversor Schmitt Trigger. 1.3.3. Oscilador a ristal Quando são necessárias alta estabilidade ou freqüências elevadas, mesmo com variações na temperatura e tensão de alimentação dos circuitos integrados, utilizam-se cristais de quartzo, que podem ser cortados para oscilar a uma freqüência específica, com grande precisão. Existem diversas opções para a implementação de um oscilador a cristal, sendo uma delas apresentada na figura 1.8. Neste circuito as portas trabalham na região linear, devendo o resistor ser ajustado para cada circuito integrado; seu valor típico é de 1,5 KΩ. Quanto ao capacitor, deve ser colocado quando a freqüência do cristal é baixa, ou quando o circuito não oscila. Seu valor é determinado experimentalmente. RISTL R R RELÓGIO OPIONL Figura 1.8 - Oscilador a ristal. 2.4 ircuito Limpa ao Ligar o aplicar-se, inicialmente, a alimentação a um circuito digital, os flip-flops e as memórias voláteis podem assumir qualquer estado. menos que uma preparação seja feita para iniciação, o circuito pode não se comportar como esperado. Em todo circuito digital seqüencial é necessário estabelecer uma condição inicial em todos os flip-flops, contadores e registradores, para se evitar estados não desejados. Manualmente, pode-se estabelecer a situação inicial do circuito, através de um botão (reset) que permite a presença de um pulso para limpar ou impor nível 1 em tais elementos. Entretanto, é de interesse que a condição inicial seja imposta automaticamente, sempre que o circuito for energizado. asicamente, o princípio utilizado é o de carga em um capacitor, com uma constante de tempo conveniente (figura 1.9). figura 1.10 apresenta uma implementação típica do circuito limpa ao ligar. Os circuitos integrados começam a funcionar quando a alimentação se estabiliza. Enquanto isso, o capacitor está sendo carregado, de forma que na entrada do inversor esteja presente um nível lógico interpretado como zero. Dessa maneira, tem-se que o sinal LL apresenta nível um. Quando a tensão no ircuitos com omponentes Discretos (2005) 5

ponto atingir o valor interpretado como nível um, a saída do inversor irá para nível zero, assim permanecendo durante toda a operação. largura do pulso do sinal LL pode ser controlada através de uma escolha conveniente dos valores dos componentes R e. Tipicamente, seus valores são de 1 KΩ e de 1 µf, respectivamente. função do diodo é permitir que o capacitor se descarregue pela fonte e não pelos circuitos integrados, quando a fonte é desenergizada. FONTE DE LIMENTÇÃO IRUITOS DIGITIS R6 LL LIMENTÇÃO ESTÁVEL 6 FONTE LIGD FIM D INIIÇÃO Figura 1.9 Limpa ao Ligar utomático. LIMENTÇÃO ESTÁVEL +5V FONTE R D Y LL LL - NÍVEL INTERPRETDO OMO ZERO Y - NÍVEL INTERPRETDO OMO UM Figura 1.10 - Exemplo de ircuito Limpa ao Ligar. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 6

1.5 ircuitos de Interface com ontatos Mecânicos utilização de chaves e botões como entrada de circuitos digitais pode ocasionar uma série de problemas. Os contatos metálicos existentes em tais elementos provocam diversas transições a cada acionamento, podendo o sinal oriundo variar entre os níveis lógicos até a estabilização. Esse fenômeno é reconhecido como contact bounce, e o ruído ocasionado pela abertura ou fechamento de contatos pode durar desde alguns microsegundos, até alguns milisegundos, dependendo da qualidade do contato. 1.5.1. have de Duas Posições haves ou botões de um pólo e duas posições podem ter o bounce associado removido, como mostra a figura 1.11. om um flip-flop do tipo SR e resistores de pull-up, o bounce associado ao acionamento e desacionamento da chave não se propaga para a saída do flip-flop. P NF P NF N HVE OTÃO N R SINL LIMPO NF N R SINL LIMPO a) ircuito de Debounce de haves e otões de Um Pólo, Duas Posições. N NF SINL LIMPO POSIIONMENTO D HVE RETORNO D HVE b) Formas de Onda do ircuito. Figura 1.11 - Debounce de haves e otões ircuitos com omponentes Discretos (2005) 7

1.5.2. haves de Uma Posição s chaves de apenas um pólo e uma posição apresentam bounce tanto no acionamento, como no desacionamento, como mostra a figura 1.12. Isso torna a limpeza do sinal um pouco mais complexa. +5V PERÍODO DE RUÍDO PERÍODO DE RUÍDO S 180 FEHMENTO DE S ERTUR DE S Figura 1.12 - ounce de Uma have de Uma Posição. No caso de botões que geram um pulso durante o acionamento, tem-se os circuitos apresentados na figura 1.13. No caso de chaves, pode-se utilizar o circuito da figura 1.14. R1 R1 R2 1 R2 R1 = 2 Mohms R2 = 100 ohms 1 = 10 nf 1 Figura 1.13 - ircuitos Geradores de Pulso. R2 R1 R1 = 100 ohms R2 = 10Kohms = 0,47uF Figura 1.14 - ircuito de Debounce de haves de Um Pólo, Uma Posição. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 8

2. PRTE EPERIMENTL 2.1. ircuitos trasadores e Geradores de Pulso a) Implementar o circuito da figura 1.1, com um dos seguintes valores de R1 e 1: R1 1 220 Ω 10 nf 220 Ω 3,9 µf 1 kω 10 nf 1 kω 3,9 µf justar convenientemente a freqüência do gerador de pulsos e observar o atraso entre os pontos e D. Registrar as forma de ondas de todos os pontos. Justificar o funcionamento do circuito e os resultados obtidos. b) Idem, para o circuito da figura 1.2, com um dos seguintes valores de R2 e 2: R2 2 220 Ω 10 nf 220 Ω 3,9 µf 2,2 kω 10 nf c) Idem, para os circuitos da figura 1.3, escolhendo um par de valores da tabela do item b, para e. d) Implementar o circuito da figura 1.4. Registrar as formas de onda e medir a largura dos pulsos. Justificar o funcionamento do circuito e os resultados obtidos. 2.2. Osciladores a) Implementar o circuito da figura 1.6, com os seguintes valores para R5 e 5: R5 5 1 kω 470 pf 1 kω 10 nf 330 Ω 22 nf Registrar as formas de onda obtidas. Medir o valor do período e da largura dos pulsos. Explicar o funcionamento do circuito através da curva de histerese que se encontra nos manuais de circuitos integrados TTL. b) Implementar o circuito da figura 1.8 com um cristal de freqüência nominal entre 2 MHz e 10 MHz, inicialmente sem montar o capacitor. Verificar a forma de onda de saída. Se não oscilar, colocar o capacitor, escolhendo um valor conveniente. Medir o valor do período e da largura dos pulsos. 2.3. ircuito Limpa ao Ligar a) Projetar e implementar um contador binário módulo 16, com entrada assíncrona, com clock sensível à borda de subida, e com entrada clear assíncrono, usando flip-flops. Ligar as saídas do contador em um dos displays, e o clock a uma das chaves. om o sinal clear não atuando, ligar e desligar a alimentação do circuito, registrando, a cada vez, o valor do display. Justifique o ocorrido. b) Montar o circuito limpa ao ligar da figura 1.10, ligando sua saída à entrada clear do contador do item anterior. Repetir o teste efetuado nesse item, comparando os resultados. Justifique. 2.4. Utilização de haves a) Utilizando o circuito contador do item 2.3.a, fornecer a entrada do sinal de clock através de uma chave. notar, para cada acionamento da chave, o valor do display. Justifique o ocorrido. b) Em relação à montagem do item anterior, acrescentar o circuito de debounce da figura 1.14, repetindo os procedimentos de teste. Utilizar os seguintes valores: R1 = 100 Ω, R2 = 10 KΩ e = 3,9 µf. ompare e justifique os resultados obtidos. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 9

3. ILIOGRFI FREGNI, Edson e SRIV, ntonio M. Engenharia do Projeto Lógico Digital: onceitos e Prática. Editora Edgard lücher Ltda, 1995. WKERLY, John F. Digital Design: Principles & Practices. 3rd edition, Prentice Hall, 2000. Signetics. TTL Logic Data Manual. 1982. Fairchild Optoelectronics, Manuais de fabricantes. Palo lto. 4. MTERIL DISPONÍVEL ircuitos Integrados TTL: - 7400, 7402, 7404, 7413, 7474, 7486. omponentes Discretos Disponíveis: - Resistores: 100 Ω, 330Ω, 1 KΩ, 10 KΩ - apacitores: 470 pf, 10 nf, 22 nf, 3,9 µf - Diodos: 10 ou 1N914 ou 1N4148 - ristais: de 2 a 10 MHz 5. EQUIPMENTOS NEESSÁRIOS 1 painel de montagens experimentais. 1 fonte de alimentação fixa, 5V ± 5%, 4. 1 osciloscópio digital. 1 multímetro digital. 1 gerador de pulsos. ircuitos com omponentes Discretos (2005) 10