Exercícios e Fundamentos com Programmable Logic Devices (PLDs) IVAN JORGE CHUEIRI

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Exercícios e Fundamentos com Programmable Logic

Devices (PLDs)

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Pontifícia Universidade Católica do Paraná Curso: Engenharia Elétrica - Telecomunicações

Disciplina: Circuitos Combinacionais e Sequenciais I e II – EL0031 - Laboratório

Prof.: Ivan Jorge Chueiri - 1o Bimestre – Turma: U – Turno: T

Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 01

IDENTIFICAÇÃO DE CIRCUITOS INTEGRADOS COM PORTAS LÓGICAS BÁSICAS

Definimos portas lógicas básicas, aquelas que são utilizadas para compor outros circuitos combinacionais. As famílias de circuitos TTL e CMOS, possuem circuitos integrados com estas portas, que são NAND, NOR, NOT e X-OR (exclusive OR).

Utilizando o Manual da National (Data Sheet), faremos as seguintes experiências:

1) Identificar nos CI’s 4001, 4011, 4070 e 40106, o número de portas, pinos de entrada, pinos de saída e pinos de alimentação. Desenhar os circuitos em blocos com as respectivas portas.

2) Utilizando o protoboard montar o circuito abaixo para cada tipo de porta e escrever sua tabela verdade, baseada na álgebra BOOLEANA. Na álgebra Booleana constantes e variáveis possuem somente dois valores permitidos, que são 0 ou 1 (nível baixo ou nível alto).

Como já foi mencionado, circuitos digitais operam de modo binário onde cada tensão de saída ou entrada tem valor 0 ou 1. As designações 0 e 1 representam intervalos de tensão pré-defindos. Esta característica dos circuitos digitais nos permite utilizar a álgebra booleana como uma ferramenta de análise e projeto de circuitos digitais.

Para escrevermos a tabela verdade, devemos colocar nas entradas da porta lógica a combinação de níveis alto e baixo, e observarmos a saída desta porta.

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3) Conclusões

QUESTIONÁRIO:

4) Explicar o que vem a ser resistor de “pull-up” e resistor de “pull-down”;

5) Explicar o que vem a ser “fanin” e “fanout”;

6) Explicar o que vem a ser “rise time”, “fall time” e “delay” de portas lógicas;

7) Explicar qual a diferença entre circuitos TTL e CMOS.

INFORMAÇÕES SOBRE A CONFECÇÃO DOS RELATÓRIOS:

8) Deverão ser escritos em padrão ABNT;

9) Valor do Trabalho: 10 pontos (dez – equivalente a nota máxima); Experiência funcionando: até 5 pontos (50%);

Relatório: até 5 pontos (50%);

10) Valor na nota do bimestre: 30% (trinta porcento), devendo ser a média aritmética dos trabalhos executados em laboratório;

11) Prazo de entrega: Na próxima aula de laboratório;

Em caso de atraso na entrega do relatório, será descontado 0,5 ponto (meio ponto), por dia de atraso.

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Disciplina: Circuitos Combinacionais e Sequênciais I e II – EL0031 - Laboratório

Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 02

MONTAGEM DE PORTAS LÓGICAS A PARTIR DE PORTAS LÓGICAS BÁSICAS

Uma vez conhecidas as portas lógicas básicas, que são NOT, NAND e NOR, além da porta X-OR, pode-se construir outras portas para aplicações genéricas ou específicas.

A partir das portas básicas, construir as portas AND, OR e X-NOR

1) Desenhar as portas AND, OR e X-NOR a partir de portas NOT, NAND e NOR;

2) Utilizando o protoboard, montar as portas solicitadas e construir suas tabelas verdades;

3) Escrever as expressões Booleanas da portas NOT, NAND, NOR, AND, OR, X-OR e X-NOR.

Obs.: A porta X-NOR devera ser feita utilizando portas NOT, NOR ou NAND;

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8) Valor do Trabalho: 10 pontos (dez – equivalente a nota máxima); Experiência funcionando: até 5 pontos (50%); Relatório: até 5 pontos (50%);

Em caso de atraso na entrega do relatório, será descontado 0,5 ponto (meio ponto) por dia de atraso.

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 03A

MONTAGEM DE CIRCUITO CONVERSOR DECIMAL PARA BINÁRIO

1) Utilizando portas lógicas NAND, NOR e NOT, construir um conversor decimal para binário, conforme diagrama em blocos abaixo.

Entrada decimal de 1 a 10 unidades:

2) Escrever a tabela verdade da conversão executada;

3) Conclusões;

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MONTAGEM DE CIRCUITO CONVERSOR BINÁRIO DE QUATRO BITS PARA DECIMAL

1) Utilizando portas lógicas NAND, NOR e NOT, construir um conversor binário de quatro bits para decimal, conforme diagrama em blocos abaixo.

3) Conclusões;

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 03C

1) Utilizando portas lógicas NAND, NOR e NOT, construir um conversor binário para octal conforme diagrama em blocos abaixo.

3) Conclusões;

5) Valor da Trabalho: 10 pontos (dez – equivalente a nota máxima);

Experiência funcionando: até 5 pontos (50%); Relatório: até 5 pontos (50%);

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SOMADOR DE 4BITS COM BIT DE CARRY

1) Utilizando o circuito integrado 74LS283, construir um somador de 4 bits, com bit de carry, conforme diagrama abaixo.

2) Converter os números decimais abaixo em binário e aplicar no somador, observar o resultado e transcreve-los na tabela verdade.

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3) Mostre onde este tipo de circuito pode ser empregado, dê exemplos.

4) Conclusões;

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COMPARADOR DE MAGNITUDE DE 4BITS

1) Utilizando o circuito integrado 74LS85, montar o comparador de magnitude de 4bits

2) Gerar uma tabela com dados para as entradas (a1,b1,c1,d1) e (a2,b2,c2,d2) e comparar as saídas. Insira 15 valores.

3) Explicar o funcionamento de um comparador de magnitude genérico.

4) Mostrar onde este tipo de circuito pode ser utilizado. Dê 3 exemplos práticos

5) Conclusões

7) Valor do Trabalho:10 pontos (dez – equivalente a nota máxima);

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 06

DECODIFICADOR DE SETE SEGMENTOS

1) Uso de decodificadores é aplicado a circuitos que necessitam de uma discriminação de determinadas informações

2) Identificar os pinos de um display de sete segmentos do tipo FND500 ou equivalente:

pino 1 A 2 B 3 C 4 D 5 E 6 F 7 G 8 Ponto 9 Comum 10 Comum

3) Utilizando o CI 4511 (Cmos) e posteriormente o CI 74LS49 (TTL), montar um circuito utilizando um display de sete segmentos;

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Disciplina: Circuitos Combinacionais e Seqüênciais I e II – EL0031 - Laboratório

Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 07

EXPRESSÕES BOOLEANAS

1) Dado o circuito abaixo, escrever a sua expressão booleana. Inserindo vetores nas entradas, conforme a tabela verdade (A, B, C) mostrar os níveis lógicos intermediários e nível lógico resultante na sua saída.

OBS.:Para facilitar a visualização, utilize um led associado a um resistor de 330R como “probe”.

2) Dado o circuito abaixo, escrever a sua expressão booleana. Inseridos vetores nas entradas, conforme a tabela verdade (A, B, C, D) mostrar os níveis lógicos intermediários e nível lógico resultante na sua saída.

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os vetores de testes conforme a tabela verdade (A,B,C) mostrar os níveis lógicos intermediários e nível lógico resultante na sua saída. Montar o circuito simplificado e aplicar novamente os vetores de testes da tabela verdade;

5) Conclusões;

7) Valor do Trabalho: 10 pontos (dez – equivalente a nota máxima);

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 08

CARACTERÍSTICAS DE PORTAS LÓGICAS

Como principais características as portas lógicas tem, Delay (atraso da porta lógica), Rise Time (tempo de subida do sinal na entrada ou na saída da mesma) Fall Time (tempo de descida do sinal de entrada ou saída da mesma), Fan-in (capacidade de entrada), Fan-out (capacidade de saída) e Margens de Ruído para nível lógico 0 e nível lógico 1.

Os níveis de ruído variam de acordo com a tecnologia, se CMOS ou TTL.

1) Tomando como referência uma porta NOT, descrever o que vem a ser Delay;

2) Idem para Rise Time;

3) Idem para Fall Time;

4) Descreva teoricamente qual é a margem de ruído para uma porta lógica TTL e uma porta lógica CMOS, definindo o que vem a ser VinH, VinL, VoutH e VoutL;

5) Utilizando portas NOT TTL, monte o circuito abaixo:

Utilizando um osciloscópio e um gerador de funções, aplicando um sinal TTL (onda quadrada) em 1kHz:

5.a – Medir nos pontos 1, 2 e 3 o delay, o Rise Time e o Fall Time;

5.b – Variando o sinal de entrada, verificar VoutL e VoutH, o VinL e VinH;

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8) Conclusões:

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Disciplina: Circuitos Combinacionais e Seqüenciais I e II – EL0031 - Laboratório

Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 09

CIRCUITOS GERADORES DE CLOCK

Circuitos combinacionais, como o nome já o diz, trabalham com lógica combinacional, ou seja, somadores, comparadores. Circuitos seqüenciais seguem uma seqüência de instruções e podem ser conhecidos também como máquinas de estados finito.

Pré-Relatório (a ser apresentado no dia da experiência):

1) Defina o que vem a ser circuitos combinacionais;

2) Defina o que vem a ser circuitos seqüenciais;

3) Defina o que é Maquina de Estados Finito e onde podemos usa-las.

EXPERIÊNCIA:

Para que Circuitos Seqüenciais e Máquinas de Estados Finito funcionem, é necessário que exista a função Clock, para isto, montar os circuitos abaixo que representam alguns geradores de clock.

4) Geração de trem de pulsos (onda quadrada) a partir da rede de alimentação;

Mostrar como é possível; a partir de um sinal senoidal retificado obter uma onda de forma quadrada utilizando um inversor (NOT) tipo Schimitt Trigger;

5) A partir de um circuito Astável, utilizando o CI 555;

6) A partir de um circuito RC digital;

7) A partir de uma ponte de Wien.

8) Conclusões:

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MULTIPLEXADORES (MUX)

Pré-Relatório:

1) Descreva um Multiplexador genérico de 8 bits – 2 x 1 (duas entradas, uma saída);

2) Descreva três aplicações que utilizam multiplexadores;

Experimento:

3) Utilizando portas NAND e NOT, construir um multiplexador de 4 bits - 2 x 1 (dois para um), na saída multiplexada, adicionar um decodificador 4 para 7 segmentos (controlador de display) e display de sete segmentos. Utilizando um astável, controlar as entradas do multiplexador de forma a mostrar cada sinal de entrada, a cada 6 segundos;

Usando chaves acionadoras na entrada, inserir valores da tabela ASCII e verificar a saída;

4) Utilizando o circuito integrado 74LS157, montar o mesmo circuito, e comentar as diferenças entre o circuito discreto e o circuito integrado utilizados no experimento;

Para o relatório, mostrar o diagrama em bloco, esquema elétrico e modo gráfico do acionamento do controle e dados de cada circuito (experimento 1 e experimento 2);

5) Utilizando transistores bipolares tipo N (como transmition gate, desenhar um circuito multi-plexador de 4 bits – 2 x 1;

6) Conclusões;

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Disciplina: Circuitos Combinacionais e Seqüenciais I e II – EL0031 - Laboratório

Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 11

DEMULTIPLEXADORES (DEMUX)

1) Descreva um Demultiplexador genérico de 4 bits – 1 x 4 (uma entrada, quatro saídas);

2) Descreva três aplicações que utilizam demultiplexadores;

Experiência:

3) Utilizando portas NAND e NOT, construir um demultiplexador de 4 bits - 1 x 2 (um para dois), nas saídas demultiplexadas, adicionar um decodificador 4 para 7 segmentos (controlador de display) em cada uma delas e displays. Utilizando um astável, controlar as saídas do de multiplexador de forma a mostrar o sinal de entrada, a cada 6 segundos.

Usando chaves acionadoras na entrada, inserir valores da tabela ASCII e verificar a saída.

4) Conclusões;

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DECODIFICADORES

1) Descrever o funcionamento de um decodificador 2 para 4, montar sua tabela verdade.

2) Caso exista um decodificador comercial equivalente, diga qual?

3) Dê três aplicações para decodificadores.

EXPERIÊNCIA:

4) Utilizando o decodificador 74LS138 (3 para 8) montar seu circuito e demonstrar sua tabela verdade. Utilizar nas entradas de sinais e controle chaves para comutação do sinal digital. Utilizar nas saídas leds para indicação dos sinais;

5) Conclusões

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 13

UNIDADE DE LÓGICA ARITMÉTICA

1) Utilizando o circuito integrado 74LS381, construir uma unidade de lógica aritmética conforme figura abaixo.

2) Converter os números decimais abaixo em binário e aplicar no somador, observar o resultado e transcreve-los na tabela verdade.

1 8 2 7 3 6 4 5 5 4 6 3 7 2 8 2 9 7 10 2 11 3 12 4 13 2 14 1 15 1

3) Mostre onde este tipo de circuito pode ser empregado, dê exemplos.

4) Conclusões;

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1) Utilizando circuitos CPLD’s, projetar um conversor decimal para binário, conforme o diagrama em blocos abaixo;

2) Conclusões;

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 14B

MONTAGEM DE CIRCUITO CONVERSOR BINÁRIO PARA DECIMAL (4 BITS)

1) Utilizando circuitos CPLD’s, projetar um conversor binário de 4 bits para decimal, conforme o diagrama em blocos abaixo;

Entrada binária de 0 a 15 unidades:

2) Conclusões.

(27)

MONTAGEM DE CIRCUITO CONVERSOR DECIMAL PARA OCTAL

1) Utilizando circuitos EPLD’s, projetar um conversor decimal para octal, conforme o diagrama em blocos abaixo.

2) Conclusões

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Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 14D

MONTAGEM DE CIRCUITO CONVERSOR OCTAL PARA DECIMAL

1) Utilizando circuitos CPLD’s, projetar um conversor octal para decimal, conforme o diagrama em blocos abaixo.

Entrada binária de 0 a 7 unidades:

2) Conclusões

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Flip-flops também são chamados de máquinas de dois estados, devido ao seu tipo de funcionamento. Alguns flip-flops não necessitam obrigatoriamente de sinal de clock para funcionarem; estes são chamados de flip-flops diretos; outros modelos precisam obrigatoriamente do sinal de clock para funcionar.

Pesquisar e descrever o funcionamento dos seguintes fli-flops:

Flip flops Diretos: SR, Gated SR Gated DFF

Flip Flops com Clock Flip-flop JK

Flip-flop D

Flip-flop Toggle

Flip-flop tipo Master/Slave

Incluir neste trabalho: Diagramas em blocos, diagramas elétricos internos, tabela verdade, diagramas de tempos.

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Pontifícia Universidade Católica do Paraná Engenharia Elétrica - Telecomunicações

Circuitos Combinacionais e Seqüênciais II – EL0031 - Laboratório

Prof.: Ivan Jorge Chueiri – 3o Bimestre – Turma: U – Turno: T

Data: ____ / _____ / 2001

EXPERIÊNCIA 15

FLIP FLOPS

1) Utilizando portas lógicas, montar um Flip Flop RS, conforme diagrama em blocos abaixo;

2) Inserindo vetores em suas entradas, construir a tabela verdade do mesmo;

3) Explicar o funcionamento GRAFICAMENTE;

4) A partir de um Flip Flop RS, montar um eliminador DeBounce, conforme diagrama em blocos abaixo;

5) Explicar o funcionamento, GRAFICAMENTE;

6) Utilizando o eliminador DeBounce e um Flip-flop tipo D, montar uma chave Liga-Desliga;

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Circuitos Combinacionais e Seqüenciais II – EL0031 - Laboratório

Prof.: Ivan Jorge Chueiri – 3o Bimestre – Turma: U – Turno: T

Data: 13-14 / 08 / 2001

EXPERIÊNCIA 16

FLIP FLOPS E CONTADORES

1) Utilizando portas lógicas, montar o Flip Flop D abaixo;

2) Montar um contador BCD assíncrono de dois dígitos que possa contar até 99. Utilizando o mesmo contador, modifica-lo para que possa contar até 60;

3) Como base de tempo utilizar um contador RC digital;

4) Montar uma lógica para suprimir o zero a esquerda no conversor BCD para sete segmentos;

5) Dê três exemplos onde o circuito do item (2) pode ser aplicado.

6) Conclusões.

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CONTADOR

1) Projetar um contador BCD síncrono utilizando FFD ou FFJK. Apresentar o projeto no inicio da aula de laboratório.

2) Utilizando o contador projetado, montar um contador BCD síncrono de dois dígitos que possa contar até 99. Com o mesmo contador, modifica-lo para que possa contar até 60;

5) Dê três exemplos onde o circuito do item (2) pode ser aplicado.

6) Conclusões.

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Data: 27-28 / 08 / 2001

EXPERIÊNCIA 18

CONTADOR SEQÜENCIAL

Utilizando o CI4017, montar um contador seqüencial. Utilizar como gerador de base de tempo o circuito astável 555.

O contador seqüencial deverá amostrar de modo seqüencial até 10, sinalizando através de LEDs. Em seguida utilizar a entrada RESET e faze-lo contar até 5, 6 e 7. A base de tempo deverá variar de 1Hz mínimo e 10Hz máximo.

1) Calcular e apresentar o circuito abaixo com os diversos valores dos componentes, como pré-relatório.

2) Implementar o circuito calculado.

3) Conclusões.

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CONTADOR PROGRESSIVO/REGRESSIVO (UP/DOWN)

1) Projetar um contador BCD Progressivo/Regressivo (Up/Down) de dois dígitos que permita contar de 0 – 99 – 0, continuamente de modo que a contagem possa ser interrompida e prosseguida a qualquer momento (Run/Stop). Além disso quando a contagem estiver interrompida os contadores possam ser limpados (Clear).

2) Utilizando o contador projetado, montar o contador;

5) Conclusões.

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Data: 14 / 09 / 2001

EXPERIÊNCIA 20

CRONOMETRO DIGITAL

Projetar utilizando a Ferramenta MAXPLUS II, um cronometro digital que execute contagens até 99min e 60seg (99:60). Inserir um MULTIPLEXADOR que permita alternar através de programação a amostragem de min:seg e segundos somente, com zero suprimido a esquerda. O cronometro deverá ter as funções RUN/STOP e CLEAR, perfazendo um total de três chaves do tipo “push-botton”.

Deverá possuir intertravamento interno que não permita a ação CLEAR durante RUN. Deverá permitir somente a ação CLEAR quando pressionadas simultaneamente as chaves CLEAR e RUN/STOP, no modo STOP.

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RELÓGIO DIGITAL

Projetar utilizando a Ferramenta MAXPLUS II, um relógio digital padrão europeu (24 horas).

O relógio deverá ter funções de ajuste de hora e minuto em uma única chave. Uma segunda chave deverá permitir a amostragem de segundos, com zeros a esquerda suprimidos, e multiplexar no tempo (3seg) hora:min e segundos.

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Rev. 0.0 – jan/2001

Elaborado por: Ivan Jorge Chueiri – Professor Assistente PUCPR – Pontifícia Universidade Católica do Paraná e-mail: [email protected]