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T
RABALHO DE LABORATÓRIO
I
F
UNÇÕES COMBINATÓRIAS
1. I
NTRODUÇÃO
Pretende-se que os alunos compreendam e apliquem a metodologia usada na síntese e concretização de funções combinatórias para resolução de problemas específicos, utilizando circuitos integrados disponíveis comercialmente. Este trabalho é considerado para avaliação de conhecimentos. No início da aula cada grupo impreterivelmente apresentará a resposta a todas as questões referidas nas secções 2 e 4, o esquema completo da montagem a efectuar e a lista completa do material a requisitar.
O relatório deverá seguir a estrutura e regras indicadas no anexo B e ser preparado atempadamente, com um máximo de 10 páginas (2 val. de penalização por cada página adicional). Os alunos deverão trazer para a aula de laboratório a secção correspondente ao projecto do circuito digital, sendo a secção correspondente à montagem preparada durante a aula de laboratório. O relatório deverá ser revisto e entregue até às 23h59m de sexta-feira, dia 18 de Outubro de 2013, contendo uma secção introdutória e conclusões.
2.
CIRCUITO COMBINATÓRIO
–
C
ADEADO
D
IGITAL
Considere que pretende desenvolver um cadeado digital, o qual abre se for pressionado o botão de abertura e o código estiver correcto. Para simplificação do trabalho de laboratório, assume-se que o código corresponde a um símbolo hexadecimal. O resultado da operação deverá ser indicado por duas saídas, OK e Err, as quais estarão activas (valor lógico 1) quando o botão de abertura for pressionado (sinal open) e o código inserido (sinal code) estiver certo/errado.
Para além dos dois sinais anteriores, deverá ser projectado outro sinal, codeOK, que deverá servir para teste do circuito projectado. Assim, o sinal codeOK deverá estar activo sempre que o código estiver correcto (independentemente do valor do sinal open).
Cadeado dígital code open OK Código Abertura do cadeado Abrir
Err Erro na abertura codeOK
Código OK (c3,c2,c1,c0)
Figura 1 - Esquema do cadeado digital a projectar. Considere que o valor do código é determinado da seguinte forma:
(1) Verifique qual o número de aluno dos elementos do grupo que tem menor valor; se o grupo for constituído por apenas um elemento, deverá considerar apenas o seu número de aluno.
(2) Converta o número para binário e depois de binário para hexadecimal. (3) O código corresponde ao dígito hexadecimal de menor peso.
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3. P
ROJECTO DO
C
ADEADO
D
IGITAL
Projecte o circuito que realiza o cadeado digital descrito na secção 2, indicando: A. O valor do código do cadeado.
B. O número de bits de entrada e de saída do circuito.
C. A tabela de verdade das funções que implementam o circuito pretendido.
D. As expressões mínimas das funções lógicas na forma disjuntiva (soma de produtos) e na forma conjuntiva (produto de somas).
E. As expressões das funções lógicas de circuitos que realizem a função indicada utilizando apenas as seguintes portas lógicas:
a) NAND (com 2 ou 3 entradas, i.e., NAND2 ou NAND3) e NOT. b) NOR (com 2 ou 3 entradas, i.e., NOR2 ou NOR3) e NOT.
Para cada caso, determine ainda o número de portas lógicas necessárias à implementação das funções.
F. O diagrama lógico do circuito que realiza as funções indicadas em E com o número mínimo de portas lógicas (escolha a melhor opção entre as alíneas a ou b do ponto anterior). Se achar conveniente, pode realizar quaisquer operações algébricas adicionais de forma a reduzir o número de portas. Em qualquer caso, considere apenas as portas lógicas NAND2, NAND3, NOR2, NOR3 e NOT.
G. De forma a implementar fisicamente o circuito deverá utilizar vários circuitos integrados. A lista de circuitos integrados existentes no laboratório e respectivos datasheets estão disponíveis na página da disciplina, secção “Aulas de laboratório”, em catálogos de componentes.
1. Indique quais os circuitos integrados que irá necessitar para implementar o circuito do cadeado digital.
2. Transforme o diagrama lógico obtido num esquema eléctrico. Para obter este esquema deverá acrescentar ao diagrama lógico as seguintes anotações:
para cada porta lógica, indicar o circuito integrado a utilizar (nome e referência); para cada entrada/saída de cada porta lógica, indicar o pino do circuito integrado.
4. M
ONTAGEM E VERIFICAÇÃO DO CIRCUITO COMBINATÓRIO
A. REALIZAÇÃO DA MONTAGEM.
A partir do esquema eléctrico monte o circuito projectado. Para fazer a montagem comece por inserir os circuitos integrados na “breadboard” da base de montagem. Tenha em atenção os diferentes métodos utilizados para identificar o pino 1 de cada circuito integrado (recorte semi-circular ou pequeno ponto junto ao pino 1). Oriente os circuitos integrados de modo a que o pino 1 fique no canto superior esquerdo. Tenha ainda em atenção que todos os circuitos integrados necessitam de ser alimentados para funcionarem correctamente.
Na utilização da “breadboard” (e por conseguinte na realização da montagem) tenha em atenção a existência de diversas pistas horizontais. As pistas na parte superior e inferior da “breadboard” destinam-se às linhas de alimentação (+5V e massa). As pistas na zona central da “breadboard”,
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com as quais os pinos dos circuitos integrados irão fazer contacto após a sua inserção, destinam-se a efectuar as ligações entre as diferentes portas lógicas.
Note que deve ainda efectuar as ligações das entradas do circuito aos interruptores existentes na base de montagem e ligar as saídas do circuito aos indicadores lógicos também disponíveis na base.
(a) Breadboard. (b) Montagem exemplo. O uso de fios de dimensão reduzida diminui a complexidade da montagem e
facilita o teste e a correção de erros. Figura 2 - Placa usada no laboratório para montar e testar o circuito projectado. B. UTILIZAÇÃO DA PONTA DE PROVA
Ligue os terminais de alimentação da ponta de prova à fonte de alimentação (terminal vermelho: 5V; terminal preto: 0V). Ligue a base de montagem. Observe o que acontece com a ponta de prova quando ela toca nos 5V, na massa e quando fica "no ar". Usando um fio pequeno como auxiliar, observe com a ponta os níveis lógicos num interruptor nas suas duas posições.
Indique o que observou no relatório.
Nunca force a introdução da ponta de prova nos buracos da “breadboard”. Não só não tem garantia do resultado (mesmo que haja contacto com o metal interno, este não é fiável), como degrada a breadboard.
C. TESTE DO CIRCUITO
Determine experimentalmente as funções do circuito, preenchendo uma tabela de verdade com os valores obtidos. Compare com os valores esperados.
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A
NEXO
A
–
D
ETECÇÃO E CORRECÇÃO DE ERROS DE MONTAGEM
As falhas mais frequentes na realização de uma montagem podem ser classificadas em:
a. entrada/saída em aberto (por exemplo, resultante de uma ligação por um fio defeituoso); b. curto-circuito a Vcc (+5V) ou GND (0V);
c. curto-circuito entre pinos (por exemplo, resultantes de erros de montagem).
Após verificar que todas as ligações efectuadas estão de acordo com o seu projecto, use a ponta de prova lógica que lhe é fornecida para:
1. Verificar as alimentações de todos os circuitos integrados (Vcc e GND). 2. Detectar quais as combinações de entrada para as quais a saída não é correcta.
3. Forçar o circuito para uma situação de erro, selecionando uma das combinações de entrada para a qual a saída não é correcta.
4. Percorrer o circuito ponto-por-ponto, no sentido da saída errada para as entradas que a vão sistematicamente antecedendo (para cada ligação verifique se os valores lógicos nos dois extremos da ligação coincidem).
5. Tendo localizado a origem do erro, corrija-o. Verifique a existência de outros erros. Se necessário regresse ao ponto 2.
A
NEXO
B
–
E
STRUTURA DO
R
ELATÓRIO
O relatório deverá usar o seguinte conjunto de regras: Páginas:
Máximo de 10 páginas A4, incluindo uma página de capa com a indicação do turno de laboratório, do nome do docente responsável pelo turno, e do nome e número dos elementos do grupo. Páginas numeradas, preferencialmente com cabeçalho, e margens não inferiores a 2cm.
Letra da família sans-serif (Arial, Verdana, Helvetica, Tahoma, Cambria, Calibri ou Trebuchet MS). Não deverão ser usadas fontes das famílias cursive ou fantasy, excepto para representar símbolos. Pode, se desejar, usar uma fonte da família monospace (ex.: Courier) para indicar sinais físicos. Tamanho da letra de fácil leitura e nunca inferior a 10pt.
Figuras e tabelas:
As figuras (p. ex.: esquemas) poderão ser feitos num programa de edição de imagens (p. ex.: MS Visio, Omnigraffle, Inkscape, ...) ou manuscritas, digitalizadas (com scan ou máquina fotográfica/telemóvel) e inseridas nos espaços correspondentes do relatório. No entanto as figuras deverão estar em estado apresentável (limpas, sem rabiscos ou rascunhos, facilmente perceptíveis e com tamanho de letra não inferior à do relatório).
As figuras deverão ser necessariamente enumeradas, acompanhadas de legenda e ser referenciadas no texto.
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Submissão do ficheiro no Fénix:
O relatório deverá ser submetido em formato PDF, usando o conversor do editor de documentos (p. ex. do MS Word) ou através de uma impressora de PDF (p. ex.: PDF995).
Cabe aos alunos confirmar que o ficheiro foi correctamente submetido no sistema fénix,
devendo para isso fazer download do ficheiro submetido e abrir com o Adobe Acrobat Reader. A submissão deverá ser feita até às 23h59m de Sexta-Feira, dia 18 de Outubro de 2013, no link
correspondente à entrega regular.
Caso pretendam, os alunos poderão entregar uma nova versão depois do prazo indicado, usando o link correspondente à entrega fora de prazo. Nesse caso sofrerão uma penalização de 2 valores por cada dia de atraso.
Caso sejam submetidos múltiplos ficheiros, apenas será tomado em consideração o último ficheiro submetido.
O não cumprimento das regras será penalizado na nota final do laboratório (ex: penalização de 2 valores por página adicional).
O relatório deverá ainda ter a seguinte estrutura:
1. INTRODUÇÃO
Breve introdução aos objectivos do trabalho realizado.
2. PROJECTO
Respostas às perguntas da Secção 2 do enunciado; deverá incluir todos os passos de projecto, o esquema eléctrico do circuito a montar e a lista de circuitos integrados a utilizar.
3. MONTAGEM E TESTE
Respostas às perguntas da Secção 3 do enunciado. Análise e comentários à montagem do circuito.
4. CONCLUSÕES
Comentário acerca do trabalho realizado e dos resultados obtidos experimentalmente.
Adicionalmente está disponível na página da disciplina um template de relatório, o qual inclui ainda algumas notas não relevantes para a avaliação. Recomenda-se que os alunos se baseiem nesse documento, realizando uma análise crítica de forma a eliminarem e/ou acrescentarem informação que achem necessária para o desenvolvimento do trabalho.
De notar que a cópia do texto e respectivas justificações presentes no template de relatório corresponde a uma nota de zero valores. Será igualmente dada uma nota de zero valores a grupos com o mesmo trabalho (ex: relatórios iguais).
A
NEXO
C
–
A
VALIAÇÃO DO TRABALHO
A avaliação do trabalho de laboratório será tido em conta as seguintes componentes:
(40%) Preparação prévia do projecto do circuito digital (incluindo a sua apresentação ao docente no início da aula de laboratório), correspondente às secções 2 e 3 do enunciado.
(40%) Montagem, teste do circuito e resposta às questões da secção 4. (20%) Estrutura, apresentação e qualidade do relatório.
