Introdução ao Laboratório

SISTEMAS DIGITAIS LEIC-T, LERC, LEE Ano lectivo de 2012/2013 Trab0 Introdução ao Laboratório 1 Introdução O objectivo deste 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. Como a sessão de laboratório tem a duração de apenas 90 minutos, deve estudar 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, ou por email. Os trabalhos de laboratório compreendem 4 fases: 1. Projecto do circuito que cumpra a funcionalidade pretendida. O resultado é um esquema lógico do circuito, desenhado com um software específico (Circuit Maker). 2. Simulação do circuito lógico de modo a verificar se cumpre as funcionalidades pretendidas, usando igualmente o Circuit Maker. 3. Desenho do esquema eléctrico do circuito, considerando os circuitos integrados a usar e as ligações entre as portas lógicas dos vários circuitos integrados. (Fritzing). 4. Montagem e teste do circuito eléctrico no laboratório, utilizando uma base e uma régua de montagem para interligar com fios eléctricos os circuito integrados escolhidos. 2 Objectivos do trabalho Pretende-se com neste trabalho projectar um circuito com três entradas S2, S1 e S0, que dê saída 1 lógico quando e só quando as entradas forem S2=1 S1=0, S0=1, como se pode observar tabela de verdade seguinte. Deve ser usado um único circuito integrado. Entradas Saída S2 S1 S0 L1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0

3 Projecto do circuito lógico No caso de um projecto normal serão os alunos a projector o circuito, mas no caso do trabalho introdutório é dada ma solução que utilisa três portas lógicas NAND de três entradas. Figura 1: Esquema do circuito lógico. (Ficheiro: Trab0.CKT) Para copiar o circuito lógico do Circuit Maker para Word: Circuit Maker: Edit -> Copy to clipboard; Word: Paste. 4 Simulação do circuito lógico Os alunos terão de simular o funcionamento do circuito, para verificar se ele efectivamente está bem projectado. Para tal vão ter de colocar nas entradas V3, V2, V1 todas as combinações binárias possíveis. Como são três variáveis o número de combinações é de 2 3 = 8. Figura 2: Esquema do circuito lógico, com informação para simulação ESTA SIMULAÇÃO TEM DE SER MOSTRADA AO DOCENTE, PARA VERIFICAÇÃO DE QUE TODOS OS ALUNOS DO GRUPO SABEM FAZER SIMULAÇÕES DE CIRCUITOS LÓGICOS.

4 Projecto do circuito eléctrico 4.1 Desenho do esquema eléctrico Após termos o circuito lógico simulado podemos desenhar o seu circuito eléctrico, que consiste num esquema que contém os circuitos integrados a usar e na interligação das entradas e saídas das portas lógicas dos circuitos integrados utilizados e respectivos pinos de alimentação. Podemos começar por usar o circuito lógico anterior ao qual adicionamos informação do número dos pinos, seleccionando com o botão direito do rato o Edit Pin Data -> Show Designations: S2 0V L1 S1 5V 3 4 5 U2B 6 1 2 13 U2A 12 9 10 11 U2C 8 S0 0V Figura 3: Esquema Circuit Maker com informação dos pinos das gates Para desenhar o esquema eléctrico detalhado e de montagem vamos usar a aplicação Fritzing (http://fritzing.org). Escolhemos a vista Esquema do referido programa e inserimos na área de trabalho o circuito integrado 7410 (ou 74HCT10) que contém 3 portas lógicas NAND, a régua de interruptores e os LEDs da base. De seguida fazemos as ligações correspondentes ao circuito lógico anterior, resultando o seguinte esquema. (File -> Export > To jpg) Figura 4: Esquema do circuito eléctrico (fritzing-esquema). Ficheiro: Trab0.fz

4.2 Desenho da montagem do circuito eléctrico em breadboard O programa Fritzing permite a partir da vista Esquema criar automaticamente o desenho da montagem na base, através da vista Breadboard. É de notar contudo que é necessário alterar a posição dos componentes e dos fios pois em geral eles ficam em posição incorrecta. Após reajustar a posição dos componentes obtém-se um desenho similar ao do desenho seguinte. Figura 5: Vista do circuito eléctrico (fritzing-breadboard). (Ficheiro: Trab0.fz) Este esquema servirá de base à montagem do circuito real no laboratório. No centro do circuito está representado o breadboard, estando inserido nele um circuito integrado 74LS10 (ou 74HCT10). Em baixo estão indicados os interruptores da base, em cima os LEDs. Os fios de interligação estão representados em azul. Notar ainda a verde as interligações internas do breadboard. 5 Montagem do circuito eléctrico no laboratório Após ler as instruções contidas no ANEXO e se familiarizar com o equipamento fornecido (régua de montagem, base de montagem, ponta de prova), efectue a montagem e teste do circuito anterior. 5.1 Teste à alimentação da Base de Montagem Ligue a alimentação da base no Interruptor e verifique que a luz acende. Se isto não acontecer, verifique se: A base está ligada na tomada da bancada e se não estiver ligada, ligue-a. O disjuntor da bancada está ligado e se não estiver, ligue-o.

Se após realizar estas verificações a situação persistir peça ajuda ao docente. 5.6.2 Teste às entradas e saídas Descarne as pontas de um 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. Repita a experiência com os botões de pressão 5.6.2. Montagem do circuito no Breadboard 1. Coloque o breadboard sobre a mesa e coloque o integrado 74HCT10 conforme indicações dadas. 2. Efectue a ligação do pin 14 (Vcc) à régua de barramento superior e do pino 7 (GND) è régua de barramento inferior. 3. Efectue as restantes ligações do circuito conforme indicados nas figuras 3 e 4. Não esquecer as ligações aos 3 interruptores da base e ao Led da mesma. Verifique se o total de fios usados é 12. 4. Ligue o Breadboard à alimentação da base, ligando um fio da régua de barramento superior a +5V e outro fio da régua de barramento inferior a GND (Ground). 5. Teste o funcionamento do circuito variando as posições dos 3 interruptores desde V 3 V 2 V 1 =000 a 111 e verifique o que se passa com o led. Relembra-se que o Led só deve acender se V 3 V 2 V 1 = 101 6. Se verificar que o funcionamento do circuito não está correcto, utilize a ponta de prova para comparar os valores lógicos existentes no circuito com os valores no simulador. Comece a comparação a partir da saída do circuito até encontrar uma discrepância entre o valor que existe e que deveria existir. Procure a causa (fio trocado, fio em falta, etc.) e corrija-a. Sempre que tiver dificuldades em fazer o que lhe é pedido, solicite a ajuda do docente! Esclareça todas as suas dúvidas com o docente. ESTA MONTAGEM TEM DE SER MOSTRADA AO DOCENTE, PARA VERIFICAÇÃO DE QUE TODOS OS ALUNOS DO GRUPO SABEM FAZER MONTAGEM E TESTE DE CIRCUITOS LÓGICOS.

ANEXO INFORMATIVO Equipamento disponível no laboratório No laboratório de Sistemas Digitais são montados e testados circuitos digitais previamente projectados pelo seu grupo de trabalho para as especificações definidas nos enunciados. Estes circuitos são construídos utilizando diversos Circuitos Integrados que são inseridos numa Régua de Montagem ( Breadboard ), 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 que o comportamento que se obtém não é o esperado. Quando esta situação acontece é necessário proceder à sua correção. A deteçao de erros é uma tarefa que deve ser realizada com recurso a outro equipamento especial, a Ponta de Prova. As primeiras actividades que vão realizar destinam-se a permitir que se familiarize com estes equipamentos, de forma a facilitar a realização dos próximos trabalhos. A1. 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 74HCT10, que será utilizado neste trabalho contém 3 funções lógicas chamadas NAND. 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 as suas entradas e às suas saídas e dois pinos para efectuar a alimentação eléctrica do circuito. A numeração dos pinos ilustrada na Figura A1 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. 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 em cima à esquerda, por cima da cavidade). O GND para ligar a massa, que em geral é o último pino da parte inferior, à direita. 6

74HCT10 Figura A1: Numeração dos pinos dum circuito integrado Cada circuito integrado tem um código que identifica a sua família e a função que ele executa. Por exemplo, o circuito 74HCT10, pertence à família 74HCT e o número 10 determina que ele executa a função NAND de três entradas. Existem catálogos (em papel e disponíveis na INTERNET) que contêm a descrição dos diversos circuitos integrados. Para cada circuito existe uma folha de dados (em inglês DataSheet), que contém a descrição da estrutura interna do circuito e da ligação aos pinos (em inglês pinout) e a sua tabela de verdade. Na A2 apresenta-se o pinout do referido circuito que foi recolhida da folha de dados. É com base no pinout que se elabora o esquema de ligações,, isto é, o esquema eléctrico do circuito. Figura A2: Extracto do catálogo do circuito 74HCT10 pinout A.2. Régua de Montagem (breadboard) Uma régua de montagem ou placa de montagem também conhecida por breadboard, em inglês, designa um suporte de plástico com contactos metálicos colocados no seu interior, alguns deles ligados, sobre a qual irão ser colocados circuitos integrados e demais componentes electrónicos que constituem o circuito digital a montar e testar. Um breaboard típico é constituído por uma régua de integrados central (2) e duas réguas de barramentos para ligação às tensões de alimentação, uma superior (1) e outra inferior (3), como mostra a Figura A3. Neste exemplo pode observar-se um circuito integrado inserido na régua central. Pode-se ver ainda dois fios a sair de cada uma das réguas de barramentos, para ligar às tensões de alimentação da base. 7

3 Figura A3: Breadboard com uma régua de integrados e duas réguas de barramentos As réguas de integrados são constituídas por matrizes de orifícios espaçados de 0,1 polegadas (2,54 mm), divididas horizontalmente em duas metades, separadas por um sulco central (a tracejado na figura). Este sulco serve para facilitar a colocação e remoção dos integrados, a qual deve ser feita com recurso a uma pinça. Os integrados devem ser colocados com a cavidade para o lado esquerdo, e os pinos da parte superior inseridos na metade de cima da régua e os da parte inferior inseridos na metade de baixo. Em cada metade da régua de integrados todos os orifícios duma mesma coluna estão interligados entre si. 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 orifício da coluna onde se localiza o pino que se pretende ligar. Uma régua de barramentos contém em geral apenas duas linhas horizontais. A ligação entre orifícios é feita de maneira diferente: são as linhas que estão internamente interligadas entre si e não as colunas. (Nota: em algumas réguas as linhas estão separadas a meio, formando duas metades independentes) A.3. 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. A Figura A4 mostra uma base de montagem semelhante à que se irá usar no laboratório, onde estão numerados os itens que poderá usar com mais frequência, nomeadamente: mente: o interruptor eléctrico (item 0), dispositivos de saída (itens 1e 2) e dispositivos de entrada (itens 3 e 4). Note-se que as réguas de montagem usadas 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. 8

Figura A4: Base de montagem disponível no Laboratório Existem 8 Leds (1), cada um dos quais se ilumina quando a saída do circuito que lhe está ligado tem o valor lógico 1. Para os utilizar basta ligar um fio da saída do circuito que se pretende testar ao orifício que se encontra por baixo do Led respectivo. Os displays de 7 segmentos (2) servem para representar números no código BCD, representando cada um dos displays um algarismo. Existem 8 interruptores (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 ligar um interruptor a uma entrada dum circuito introduz-se um fio no orifício localizado imediatamente acima do interruptor. Os 2 botões de pressão (4) são interruptores que mudam de valor cada vez que são premidos. Habitualmente os interruptores, os leds e as alimentações disponibilizam dois orifícios. Ambos estão ligados ao mesmo ponto, sendo indiferente qual é empregue. O objectivo é permitir a ligação de mais do que um fio a um ponto, mas nos leds apenas um deve ser ligado, para evitar curto-circuitos. A.4. Ponta de Prova 9

A ponta de prova é um equipamento simples ilustrado na Figura A5 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 A5: Ponta de prova Para proceder ao teste terá de alimentar a ponta de prova, ligando o fio vermelho Vcc (+5V) e o fio preto GND (massa). A ponta de prova tem 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 0 e 1. Para a verificação 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 pois isso não garante um bom contacto. 10