1 Familiarização com equipamento
1.1 Objetivo
1.2.1 Placa de montagem de circuitos (PROTOBOARD):
É uma placa onde podem ser montadas todas as experiências do curso. Ela é
constituída por conjuntos de 5 pinos conectados entre si (fig a). Por isto, quando
qualquer componente (fig b) é inserido, os pontos remanescentes ficam disponíveis,
tanto para se ligar fios de interconexão como outros componentes, ou mesmo para
obtenção de pontos de teste do circuito.
Figura 1 - Esquema de um protoboard
A placa de montagem aceita fios sólidos números 22 ou 24 (AWG) para a implementação dos circuitos. O espaçamento entre os grupos de 5 pinos é compatível com os circuitos integrados (digitais ou lineares), encapsulados (fig c) e muitos componentes discretos. Existem ainda 12 grupos de 30 pinos interconectados (fig d), que são convenientes para se injetar sinais comuns como VCC, VDD, VSS, terra ou outro sinal qualquer que requeira mais de 5 ligações.
Figura 2 - Dispositivo eletrônico (CI) e detalhe dos pinos num protoboard 1.2.2 Fontes de Alimentação
Existem muitos tipos de fontes de alimentação. A maioria é concebida para converter alta voltagem AC de alimentação elétrica um valor adequado de baixa tensão para circuitos eletrônicos e outros dispositivos. A Figura 3, mostra o processo interno de uma fonte de alimentação para conversão de tensão.
Figura 3 – Arquitetura de uma fonte de alimentação
Figura 4 - Exemplos de fonte de alimentação a ser usado no laboratorio
As fontes necessárias para o laboratório são:
Alimentação AC - fornecida na bancada para todos os equipamentos. A alimentação é de 220 VAC.
Alimentação DC - A tensão utilizada será de +5V, compatível com a lógica TTL, fornecida pelos equipamentos nos experimentos deste curso.
1.2.3 Multímetro
Será utilizado o multímetro para fazer a verificação dos níveis de tensão nos
pontos de teste e alimentação do circuito nos experimentos.
Mais detalhes sobre o uso de multímetro pode ser obtido em:
http://physika.info/physika/documents/multimetros.pdf
http://doradioamad.dominiotemporario.com/doc/Como_utilizar_um_multimetro _digital.pdf
1.2.4 Diodo
O Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação.
O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A. Na Figura 5 é apresentado o esquema de um diodo.
Esquematização do diodo Operacionalização do diodo
Figura 5 – Diodo semicondutor
Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, o diodo vai permitir
ou impedir corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada,
como nas duas Figura 5, lado direito.
1.2.5 Resistores
Resistores são componentes que têm por finalidade oferecer uma oposição à passagem de corrente elétrica, através de seu material. A essa oposição damos o nome de resistência elétrica, que possui como unidade Ohm (Ω). Os resistores causam uma queda de tensão em alguma parte de um circuito elétrico, porém jamais causam quedas de corrente elétrica. Isso significa que a corrente elétrica que entra em um terminal do resistor será exatamente a mesma que sai pelo outro terminal, porém há uma queda de tensão. Utilizando-se disso, é possível usar os resistores para controlar a corrente elétrica sobre os componentes desejados
.Os resistores, em geral, possuem o formato cilíndrico e faixas coloridas que definem o seu valor em Ohms (Ω). O código mais comum é o que utiliza quatro faixas coloridas, cada qual indicando um valor. As duas primeiras correspondem a uma cifra, a qual deve ser multiplicada pelo valor da terceira faixa. A quarta faixa indica a tolerância, ou seja, a precisão do componente. A
Figura 6, mostra o esquema de um resistor.
Figura 6 - esquema de um resistor
A Tabela 1 indica os valores das referidas faixas de um resistor.
Tabela 1- resistores
O resistor mostrado na figura tem a leitura da seguinte forma:
1° faixa = vermelho => 2 primeiro algarismo 2° faixa = preto => 0 segundo algarismo
3° faixa = vermelho => multiplicar o algarismos formado pelo 1° e 2° algarismo = 20 x 2 = 40 Ω 4° faixa dourada = significa que o resistor tem ±5% de tolerância
1.2.6 Leds de monitoração
O
diodo emissor de luz também é conhecido pela sigla em inglês LED (Light Emitting Diode). Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em locais e instrumentosonde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada.
Especialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos. A
Figura 7 mostra exemplo de leds e seus componentes.
Figura 7 - Leds 1.2.7 Chaves de Codificação
Uma chave de codificação consiste, basicamente, de chaves interruptoras liga-desliga que fornecerão os níveis lógicos necessários para o circuito implementado na placa de montagem. Podem ser utilizadas chaves para introdução e retirada de informações. Há vários formatos para as chaves.
Figura 8 - Representação para chaves interruptoras 1.2.8 Circuitos integrados (CI)
Os circuitos integrados são circuitos eletrônicos funcionais, constituídos por um conjunto de transístores, díodos, resistências e condensadores, fabricados num mesmo processo, sobre uma substância comum semicondutora de silício que se designa vulgarmente por chip.
O modo como um circuito digital responde a uma entrada é denominado lógica do circuito. Por esta razão, os circuitos digitais são também chamados de circuitos lógicos. Os dois termos são usados indistintamente. Os principais tipos de circuitos lógicos normalmente encontrados em sistemas digitais serão estudados, dando ênfase inicialmente à funções lógicas que podem ser implementadas por esses circuitos.
Figura 9 - Circuito integrado
Os circuitos integrados digitais estão agrupados em famílias lógicas. As famílias lógicas correspondem a grupos de tecnologias empregadas na construção dos circuitos
Chip
visto por dentro e por cima. Chip
Terminais do CI
integrados ( CI ) digitais. Os CIs numa família são ditos compatíveis e podem ser facilmente conectados pois possuem características comuns como: faixa de tensão de alimentação, velocidade de operação, níveis de tensão de entrada, potência de dissipação, fan-out ( fator de carga de saída = limitação de quantas portas podem ser excitadas por uma única saída).
Famílias lógicas bipolares:
RTL – Resistor Transistor Logic – Lógica de transístor e resistência.
DTL – Díode Transistor Logic – Lógica de transístor e díodo.
TTL – Transistor Transistor Logic – Lógica transístor-transístor.
HTL – High Threshold Logic – Lógica de transístor com alto limiar.
ECL – Emitter Coupled Logic – Lógica de emissores ligados.
I2L – Integrated-Injection Logic – Lógica de injecção integrada.
Famílias lógicas MOS:
CMOS – Complemantary MOS – MOS de pares complementares NMOS/PMOS NMOS – Utiliza só transístores MOS-FET canal N.
PMOS - Utiliza só transístores MOS-FET canal P.
Este curso está estruturado com base na família TTL da série 74XX.
Internamente, os componentes desta família são elaborados com a integração de transistores bipolares e na entrada observamos a presença de um transistor com emissor múltiplo.
É apresentada em duas séries: 54 e 74. A série 54 tem uma faixa maior de temperatura (55ºC a +125º ) e segue especificações militares.
A série 74 é de uso geral, operando na faixa de temperatura de 0ºC a +70ºC. Os circuitos integrados da família TTL se caracterizam por exigir uma tensão de alimentação de 5V. Para que a entrada reconheça o nível lógico baixo, é preciso que a tensão seja de 0 a 0,8V. Analogamente, uma entrada alta deve estender-se de 2 a 5V.
Encontramos dentro da família de integrados TTL centenas de funções lógicas, desde portas lógicas, flip flops, decodificadores, comparadores, etc.
A
Figura 10apresenta a configuração de pinos e encapsulamento do CI. Neste curso utilizaremos a configuração DIP (Dual-In-Line-Package), com 14, 16 e 24 pinos.
Figura 10 - Representação do CI
O pino 1 é identificado por uma marca indicativa no circuito integrado, como mostra a
Figura 10(a), e a contagem se faz no sentido anti-horário, olhando-se o circuito por cima
Figura 10(b).
Nota: Em um circuito integrado (CI) da lógica TTL, quando um terminal de entrada de
sinal é deixado aberto, sem ser conectado a nenhum ponto, isto será interpretado como um nível “1” ou “ALTO”.
Em anexo a pinologia de alguns CI1s da família TTL 1.3 Precauções sobre o equipamento
Nos experimentos realizados neste curso não deverão ser utilizadas tensões situadas fora da faixa de 0V e 5V.
É um bom procedimento Não fazer ligações no BOARD com a chave geral ligada.
Nunca monte circuitos que solicitem mais que 1 A de cada fonte (+5), pois, neste caso, a fonte que estiver sobrecarregada irá se desligar do circuito.
1.4 Outras Recomendações:
Antes de iniciar a qualquer experiência, certificar-se de que a tensão disponível é adequada.
Testar o funcionamento dos equipamentos de montagens.
Executar a montagem ou alteração de circuitos com equipamentos desligados.
Não interconectar saídas dos dispositivos, dos circuitos ou de fonte (evitar curto-circuito).
Nunca ligar as saídas das fontes diretamente ao comum.
“Caso ocorra algum acidente durante a experiência, anote e comunique-o imediatamente ao professor”
2ª aula de laboratório
mais usados são 5V e 0V, embora quaisquer dois outros valores de tensão possam ser usados.Para a tecnologia TTL esses valores são bem definidos:
Nível lógico 1 = + 5V Nível lógico 0 = 0v
2.2 Experimento
Montagem de circuito lógico com diodo.
2.3 Objetivo
Entender o funcionamento de um circuito lógico (porta lógica) utilizando diodos.
Verificar o comportamento e classificar a porta lógica.
2.4 Material Necessário:
1. 1 multímetro digital ou analógico 2. 1 protoboard
Obs. A partir de agora consideraremos como material de bancada: protoboard, fonte de alimentação, fios, chaves interruptoras, leds e multímetro.
2.5 Procedimento
Utilizando o protoboard monte os circuitos:
2.5.1 Praticando
1) Fixar as chaves sobre o protoboard
2) Preparar as chaves A e B para serem alimentadas com a tensão de 5V e com o terra, fazendo as seguintes ligações:
VCC do protoboard a chaveA positiva e esta ao diodo 1
Gnd do protoboard a chaveA negativa e esta ao diodo 1
VCC do protoboard a chave B positiva e esta ao diodo 2
Gnd do protoboard a chaveB negativa e esta ao diodo 2
Ligar o diodo ao resistor e este ao led, observando a configuração de cada circuito.
Alimentar o protoboard com a fonte, usando os cabos banana e alimentar todos os pontos necessários do protoboard (Vcc e Gnd);
Ligar a fonte de alimentação;
Aplicar níveis lógicos às entradas A e B do circuito. Para cada condição de entrada, verificar o estado lógico da saída através do acendimento do led ou medindo com um voltímetro.
2.6 Questões
1) Explique resumidamente qual é a relação que existe entre os dois circuitos.
2) Explique o comportamento do diodo em cada um dos circuitos.
3)
Faça as tabelas verdades para cada um dos circuitos. Que porta lógica cada um dos circuitos representa?3 Experimento 2
3.1 Contextualização teórica
PORTAS OR
Uma porta OR é projetada para que exista sinal de saída sempre que existir um sinal de entrada. Em eletrônica digital a presença desse sinal representa o dígito 1 e a ausência de sinal representa o dígito 0.
PORTAS AND
Uma porta AND é projetada para que exista sinal de saída se existir sinais em todas as entradas. A porta AND pode ser considerada como uma porta de
tudo ou nada, pois é necessário que exista 1 em todas as entradas para que a saída seja 1.Em contrapartida em uma porta OR, qualquer nível lógico 1 na entrada leva a saída para 1.
3.2
Experimento
Teste de portas OR (OU) e portas AND (E) usando circuitos eletrônicos – CI – específicos.
3.3 Objetivo:
a) Verificar, experimentalmente, como funciona uma porta OR;
b) Verificar, experimentalmente, como funciona uma porta AND;
3.4 Material necessário permitirão a aplicação de nível lógico 1 ou nível lógico 0. (V
CCe Gnd respectivamente), e a saída em um LED de monitoração (obs. É importante ligar a um resistor antes de ligada ao led).
1. Monte o circuito com o CI indicado e verifique que porta lógica ele implementa.
Construa a tabela verdade para este circuito.
3.5.1 Praticando
3) Fixar o CI 7432 sobre o protoboard
4) Preparar os CI para ser alimentado com a tensão de 5V, fazendo as seguintes ligações:
Pino 14 do CI com o VCC do protoboard;
Ligar o catodo do led ao Gnd
Ligar a fonte de alimentação;
Aplicar níveis lógicos às entradas A e B do circuito. Para cada condição de entrada, verificar o estado lógico da saída através do acendimento do led ou medindo com um voltímetro.
Realizar os mesmos procedimentos anteriores para os exercícios que seguem.
2. Uma porta OR de 3 entradas pode ser obtida a partir de duas portas OR de 2 entradas conforme mostra a figura a seguir:
Complete a tabela da verdade abaixo: (anote na coluna de saída o nível lógico 0 ou 1)
C B A X
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
3. Faça as ligações de uma por OR de 2 entradas conforme mostra a figura abaixo.
Determine as saídas para cada entrada indicada na tabela ao lado da porta.
O CI 7411 é uma porta AND com 3 entradas (TRIPLE - 3 INPUT AND GATE)
4. Escreva as tabelas para portas AND com 2 e 3 entradas: (anote na coluna de saída nível lógico 0 ou 1)
5. Uma porta AND de 4 entradas pode ser obtida a partir de duas portas AND de 3 entradas conforme ilustra a figura a seguir.
Faça as ligações da porta AND de 4 entradas conforme ilustra a figura e verifique se o circuito funciona, aplicando os sinais de entrada conforme as combinações indicadas na tabela da verdade a seguir, anotando as tensões de saída.
Tabela: AND de 4 entradas
Nível lógico 1 = + 5Vcc Nível lógico 0 = Gnd
Entrada A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
determine as saídas para cada entrada na tabela da verdade ao lado.7. Monte o circuito abaixo, complete a tabela verdade para o circuito e depois
1 1 1 0
1 1 1 1
3.6 Questões
1. Em que condições o led acenderá?
2. Orientando-se pela tabela que você completou, responda: qual das entradas A, B, C ou D devem ser mantidas em nível 0 para manter o led apagado?
3. Construa a tabela da verdade de uma porta OR de 3 entradas. Se uma das
entradas estiver com defeito (aberta). Suponha que a entrada que esteja com
defeito seja a “C”.Como fica a tabela?
4 Experimento 3 4.1 Contextualização
Uma função lógica de grande importância é a conversão de um nível lógico para outro, ou seja, a capacidade de converter um 1 em 0 e um 0 em 1. Essa conversão de um nível lógico para outro é chamada de complementação (inversão).
Uma maneira fácil de obter a função de complementação é utilizar um circuito eletrônico, pois a mudança significa mudar de + 5V para 0V e vice-versa. Para isso, utiliza-se geralmente um amplificador inversor, cujo símbolo é mostrado na
Figura 11:
Figura 11 - inversor lógico
Sendo A, a tensão de entrada, enquanto que X é a tensão de saída.
Um inversor típico TTL é composto de vários transistores, resistores e diodos, e como resultado os valores de tensão de saída partem de valores ideais de + 5V e 0V.
4.2 Experimento
Teste de inversor lógico usando circuito eletrônico – CI – específicos.
4.3 Objetivo
Verificar, experimentalmente, como funciona um circuito inversor;
4.4 Material necessário
1. CI 7404 (hexa-inversor TTL) 2. Material de bancada 3. Osciloscópio (opcional)
4.5 Procedimento
Observe o CI 7404
O CI 7404 é denominado hexa-inversor por possuir 6 inversores lógicos. Observe o valor da tensão e o número dos pinos de alimentação. O método mais simples de verificar se um inversor lógico está funcionando corretamente, consiste no uso de um teste estático. Este consiste em conectar a entrada de um dos inversores alternadamente a um potencial de 0V ou 5V, enquanto observa a saída do inversor para verificar se de fato ela está complementando a entrada.
4.6 Questões
1. Complete a tabela para um dos inversores testados.
TABELA VERDADE
V ENTRADA V SAÍDA
0V 5V
2. Anote a seguir o valor da tensão de saída de um inversor quando o pino de entrada está flutuando (aberto).
VSAÍDA_________________
3. Para certificar-se de que o inversor pode realmente acionar um outro inversor, conecte dois inversores em cascata (série) como mostra a figura a seguir:
4. Alimente a entrada com os valores de tensão indicados na tabela 2, meça as tensões V2 e V3 e anote esses resultados na mesma tabela.
V1 V2 V3
0V 5V
5 Experimento 4 5.1 Contextualização
NOR é entre as portas lógicas digitais a mais largamente usada e a mais popular, sendo suas propriedades lógicas essencialmente equivalentes a uma porta OR seguida de um inversor lógico. A porta NOR pode ser usada sozinha para executar a função de um inversor e, com uma combinação de portas NOR podemos obter as operações das portas OR e AND. A porta NOR é portanto considerada universal, pois as operações lógicas fundamentais de OR, AND e NOT são executadas por ela.
INVERSOR:
A Figura 12 mostra uma porta NOR de 2 entradas, que estão conectadas juntas.
Observa-se claramente que somente duas possibilidades são viáveis em termos de nível lógico 0 ou 1.
Figura 12 - porta NOR de duas entradas
Portanto, neste caso, a porta NOR (de uma entrada) executa a mesma função de um inversor lógico.
OPERAÇÃO OR:
As duas portas NOR mostradas na Figura 13 são conectadas em série, onde a primeira executa a função NOR e a segunda e função de inversor lógico. Logo, o que se obtém na saída é o complemento da combinação dos sinais aplicados na entrada.
Figura 13 - Porta NOR ligada em serie OPERAÇÃO AND:
O diagrama lógico mostrado na Figura 14 consiste em uma porta NOR de 2 entradas precedidas por duas portas NOR de 3 entradas, operando como inversores.
Figura 14 - Combinação de portas NOR e inversores
Observa-se que a porta NOR 3 tem duas entradas complementadas A e B, provenientes das portas NOR 1 e 2, as quais atuam como inversores lógicos.
Podemos então descrever a operação total do circuito assim: a saída assume nível lógico 1 quando ambas as entradas estão em nível lógico 1 ao mesmo tempo, o que em última análise é uma função idêntica a uma porta AND.
5.2 Objetivo
a) Verificar experimentalmente o funcionamento de uma porta NOR;
b) Usar uma porta NOR como um inversor lógico;
c) Demonstrar porque uma porta NOR é uma porta lógica universal;
5.3 Material necessário
1. CI 7427
2. Material de bancada
5.4 Procedimento
Observe o CI 7427 e alimente-o corretamente, ligando as entradas A, B e C nas chaves “interruptoras”, alimentando-as corretamente, a saída X ao resistor e este ao led.
1. Verifique seu funcionamento medindo a tensão de saída para cada uma das combinações indicadas na tabela abaixo:
NÍVEL LÓGICO 1 = + 5Vcc NÍVEL LÓGICO 0 = Gnd
A 0 1 0 1 0 1 0 1
B 0 0 1 1 0 0 1 1
C 0 0 0 0 1 1 1 1
X
2. Conecte as 3 entradas em um ponto comum a fim de converter a porta NOR em um inversor. Verifique o seu funcionamento preenchendo a tabela a seguir:
Entrada (A) 0 (GND) +5V (Vcc)
Saída (X)
3. Determine se a porta NOR de 3 entradas funcionará ou não como um inversor
se duas das 3 entradas forem deixadas em flutuação, aplicando sinal em apenas
uma das entradas.
4. Faça a conexão de duas portas NOR conforme mostra a figura a seguir e complete a tabela, a fim de verificar se o circuito opera como uma porta OR.
NÍVEL LÓGICO 1 = + 5Vcc NÍVEL LÓGICO 0 = Gnd
A 0 1 0 1
B 0 0 1 1
X
5. Faça as conexões de 3 portas NOR, conforme mostra a figura abaixo e complete a tabela a seguir, a fim de verificar se o circuito funciona como uma porta AND.
A 0 1 0 1
B 0 0 1 1
X 5.5 Questões
1. O CI 7427 é usado para substituir uma porta NOR de 2 entradas. O que você faz com a entrada que sobra?
2. Explique a diferença principal entre os CIs 5427 e 7427.
3. Usando o resultado do item 5, explique se o CI 7427 irá ou não funcionar como um inversor se duas das três entradas forem deixadas em flutuação.
4. Explique porque uma porta NOR é considerada universal.
5. Um determinado circuito lógico necessita de três inversores, duas portas AND de 3 entradas e uma porta OR de 2 entradas. Se forem usados apenas CIs 7427, qual a quantidade necessária para esse circuito? Faça o diagrama desse circuito lógico.
6. Faça o diagrama de um circuito lógico que execute a função X = ABC, utilizando
apenas CIs 7427.
6 Experimento 5 6.1 Contextualização
A porta NAND é uma das mais utilizadas em eletrônica digital. Suas propriedades são essencialmente equivalentes a uma porta AND seguida de um inversor lógico. A porta NAND pode ser utilizada para executar a função de um inversor lógico e, com uma combinação de portas NAND podemos obter as operações de portas OR e AND. Uma porta NAND é portanto, considerada como universal.
INVERSOR:
Na
Figura 15temos uma porta NAND de 2 entradas, onde ambas estão conectadas juntas, assim, existem apenas duas possibilidades de entrada de nível lógico: 0 e 1. Observa-se então claramente que a porta NAND neste caso executa a função de um inversor lógico.
Figura 15 - Porta NAND de duas entradas OPERAÇÃO AND:
As duas portas NAND da
Figura 16são conectadas em série, onde a primeira executa a função NAND e a segunda inversor lógico. Portanto “X” é o complemento da saída da primeira porta, isto é:
Figura 16 - Portas NAND conectadas em serie
Esta combinação de portas pode ser usada então como única porta AND de 2 entradas.
OPERAÇÃO OR: