Conjunto Didático de Eletrônica Digital Apostila de Treinamento

Conjunto Didático de
Eletrônica Digital
Apostila de Treinamento
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
2
Apostila de Treinamento
Apostila de Treinamento de Eletrônica Digital
Erick Marquardt de Araújo
Esta apostila é parte integrante do Conjunto Didático de Eletrônica Digital, e
utiliza módulos deste equipamento para a realização dos ensaios.
Para maiores informações entre em contato com a Bit9
[email protected]
(11) 2292-1237
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Apostila de Treinamento
Sumário
Experiência 1: Portas Lógicas I ....................................................................... 4
Experiência 2: Portas Lógicas II .................................................................... 14
Experiência 3: Sistemas Numéricos e Comparador de Magnitude ............... 24
Experiência 4: Unidade Lógica Aritmética ..................................................... 34
Experiência 5: Display de 7segmentos e Matriz de Pontos........................... 42
Experiência 6: Flip-flops ................................................................................ 52
Experiência 7: Contadores Assíncronos ....................................................... 60
Experiência 8: Contadores Síncronos e Código Gray ................................... 68
Experiência 9: Latch e Buffer ........................................................................ 76
Experiência 10: Registrador de Deslocamento ............................................. 84
Experiência 11: Decodificador BCD-Decimal e Decimal-BCD ...................... 90
Experiência 12: Memória RAM ...................................................................... 96
Experiência 13: Conversor D/A ................................................................... 106
Experiência 14: Conversor A/D ................................................................... 114
Experiência 15: Multiplexadores e Demultiplexadores ................................ 122
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Experiência 1: Portas Lógicas I
Objetivo

Estudar as características elétricas das portas lógicas;

Estudar as principais operações booleanas;

Projetar e montar um circuito combinacional utilizando portas lógicas.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED50 – Portas Lógicas

Cabos banana
Introdução
Uma das pedras fundamentais da eletrônica digital é a álgebra booleana, que
recebe este nome em homenagem a seu criador, o matemático inglês George
Boole. O que faz desta álgebra tão especial, é que ela define um conjunto de
operações realizadas com elementos (ou operandos) que só podem assumir valores
0 (zero) e 1 (um), servindo perfeitamente aos propósitos da eletrônica digital.
Como sabemos, em eletrônica digital, um determinado sinal, seja de entrada ou
saída, apenas pode assumir um de dois estados lógicos existentes: o nível alto
(convencionalmente
associado
ao
valor
numérico
1)
e
o
nível
baixo
(convencionalmente associado ao valor numérico 0).
Embora na teoria seja bastante simples distinguir entre um valor e outro,
infelizmente na prática isso nem sempre é verdade. Afinal, em um circuito digital,
estes níveis lógicos são representados por valores de tensão. Em circuitos bem
dimensionados e com pouca incidência de ruídos poderemos facilmente encontrar
sinais digitais com tensão de 5V, para nível alto, e 0V para nível baixo, não havendo
qualquer ambigüidade. Mas e se tivermos um sinal com 2,5V, que nível será que ele
representa?
Pois bem, diferentes famílias de circuitos digitais interpretam estes níveis
intermediários de maneiras distintas. Quando dizemos famílias de circuitos digitais
nos referimos ao tipo de arquitetura que é empregada na confecção do circuito
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Apostila de Treinamento
integrado. Uma das famílias mais difundidas, e também uma das primeiras a ser
comercializada em larga escala é a família TTL (Transistor-Transitor Logic), em que
todo circuito digital é construído com associação de transistores. Outra família bem
conhecida é a família CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), cujos
circuitos lógicos são construídos com transistores do tipo MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor), transistores mais sofisticados, que
apresentam menor dissipação de potência e maior capacidade de integração.
Neste momento, mais importante que entender a característica estrutural de cada
família, é entender os diferentes limites de tensão que definem cada nível lógico.
Estes limites de tensão são trazidos nos manuais dos componentes, nos campos
mostrados abaixo, e são diferentes para entrada e saída do dispositivo (geralmente
os limites de entrada são mais permissivos que os limites de saída, com o intuito de
reduzir problemas na interligação de dispositivos):
Campo
VIL
Descrição
Tensão máxima permitida na entrada, para que o sinal seja
interpretado como nível baixo
VIH
Tensão mínima permitida na entrada, para o que o sinal seja
interpretado como nível alto
VOL
Tensão máxima presente na saída do dispositivo, quando esta
estiver em nível baixo
VOH
Tensão mínima presente na saída do dispositivo, quando esta
estiver em nível baixo
Nota: Os limites de saída (VOH e VOL) dependem da intensidade de corrente que é
drenada pelo dispositivo (quando sua saída está em nível baixo) ou fornecida por
ele (quando sua saída está em nível alto). Afinal, estando, por exemplo, a saída do
dispositivo em nível alto, é de se esperar que se acoplando uma carga de baixa
resistência (drenando mais corrente) o valor de VOH seja reduzido. Portanto, os
manuais geralmente trazem estes valores para um determinado valor de corrente
utilizado no ensaio. A capacidade de fornecer, ou drenar, corrente por um
dispositivo digital é freqüentemente referenciado como “fan-out” do dispositivo.
Esses limites ficam mais claros quando são representados em uma representação
gráfica, como a mostrada a seguir. Note que para cada família, existe certo intervalo
marcado como “indeterminado”, neste intervalo o dispositivo está operando fora de
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5
Apostila de Treinamento
especificação, e pode tanto interpretar o valor em sua entrada como sendo nível alto
ou baixo, por essa razão, sinais nestes intervalos devem ser evitados.
Família TTL
Entrada
Família CMOS
Saída
Entrada
VIH
Valor 1
VOH
VOH
Saída
Valor 1
Valor 1
Valor 1
4,4V
3,5V
VIH
Indeterm.
2,4V
Indeterm.
2,0V
Indeterm.
1,5V
Indeterm.
VIL
0,8V
VIL
Valor 0
Valor 0
VOL
Valor 0
0,4V
Valor 0
0,4V
VOL
Assim, respondendo a pergunta que fizemos antes, um sinal de 2,5V seria
interpretado como nível alto, caso estivéssemos trabalhando com a família TTL e
seria indeterminado, caso estivéssemos trabalhando com a família CMOS.
Até este ponto, falamos de circuitos digitais sem dizer exatamente qual a função
deles. Fato é que existe no mercado uma verdadeira miríade de componentes
digitais com funções específicas, mas certamente entre os mais simples estão as
portas lógicas. Afinal, foi através delas que a eletrônica digital de popularizou e eram
com elas que os mais complexos circuitos digitais eram construídos nas décadas de
70 e 80.
Como dissemos antes, na base da eletrônica digital está a álgebra boolena. Esta
álgebra define operações fundamentais realizadas com elementos binários (que
apresentam apenas dois possíveis valores, 0 ou 1). Entre as operações mais
conhecidas estão a operação E, OU e NÂO; também conhecidas por seus nomes
em inglês: AND, OR, NOT. Pois bem, uma porta lógica é justamente um circuito
digital que realiza uma destas operações. A seguir temos a representação gráfica
de cada uma das portas lógicas com sua respectiva Tabela da Verdade, que é a
tabela que diz qual o valor da saída da porta para cada uma das combinações
possíveis na entrada.
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Porta E
A
S
B
Porta OU
A
S
B
A
B
S
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
A
B
S
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Porta NOT
A
S
Porta NE
A
S
B
A
S
0
1
1
0
A
B
S
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Porta NOU
A
S
B
A
B
S
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
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Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência vamos verificar o funcionamento de algumas portas lógicas e
construir um circuito combinacional.
Exemplo de aplicação:
As portas lógicas têm um vasto campo de aplicação, são peças elementares em
qualquer circuito digital, sendo a base para construção de circuitos somadores,
ULAs, circuitos seqüenciais e até microprocessadores.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Vamos levantar a tabela da verdade de cada uma das portas. Para isso, alterne o
estado das chaves, a fim de reproduzir cada um dos estados da tabela da verdade,
e marque o estado presente na saída da porta:
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Apostila de Treinamento
Porta OU
Porta E
A
B
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
A
B
0
S
Porta NOU
Porta NE
A
B
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
A
B
0
S
S
S
3. Altere as ligações para o esquema mostrado a seguir:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
9
Apostila de Treinamento
4. Preencha as tabelas da verdade abaixo, alterando o estado dos geradores de
pulso e observando o estado da saída das portas.
Porta E
AB
S
Porta OU
AB
S
Porta NE
AB
S
Porta NOU
AB
0
0
0
0
1
1
1
1
S
5. Note que na ligação realizada que ambas as entradas das portas lógicas E e OU
estão curto-circuitadas. Como a saída destas portas se comporta neste tipo de
ligação?
6. Note que na ligação realizada que ambas as entradas das portas lógicas NE e
NOU estão curto-circuitadas. Como a saída destas portas se comporta neste tipo de
ligação?
7. Uma operação boolena bastante comum é a conhecida como OU-Exclusivo,
abreviada como XOU. Nesta operação o resultado é 1, apenas quando uma das
entradas está em valor alto, e zero quando ambas as entradas estão em 0 ou 1.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
10
Apostila de Treinamento
Escreva abaixo como seria a tabela da verdade desta operação e sua expressão
booleana.
Porta XOU
A
B
0
0
0
1
1
0
1
1
S
8. Com base nos dados do exercício anterior, mostre como seria o digrama lógico
de um circuito que realiza a operação XOU:
9. Monte o circuito projetado no item anterior utilizando as portas lógicas do módulo
MED50.
10. Levante a tabela da verdade do circuito projetado. E compare com a tabela
esperada, que você preencheu no item 7.
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Apostila de Treinamento
Porta XOU
A
B
0
0
0
1
1
0
1
1
S
11 Cite uma aplicação possível para este tipo de operação.
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Experiência 2: Portas Lógicas II
Objetivo

Estudar as características elétricas das portas lógicas;

Montar um circuito combinacional utilizando portas lógicas;

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED52 – Portas Lógicas

Multímetro ou Miliamperímetro

Osciloscópio

Cabos banana
Introdução
Na experiência passada observamos o funcionamento de algumas portas lógicas,
levantamos suas tabelas da verdade e chegamos a projetar e montar um circuito
combinacional. Porém, falamos apenas brevemente das características elétricas das
portas lógicas disponíveis no mercado.
Podemos separar essas características em dois grandes grupos, características DC
(corrente contínua) e características AC (corrente alternada). Obviamente, tratandose de um circuito integrado digital, jamais podemos utilizar tensões AC da rede
elétrica nestes dispositivos, quando nos referimos a características AC, queremos
dizer que estamos dando ênfase ao comportamento deste dispositivo na presença
de sinais pulsantes em suas entradas, ou seja, seu comportamento dinâmico. Já
quando nos referimos características DC, estamos interessados nos limites elétricos
do dispositivo em uma determinada condição de trabalho, ou seja, seu
comportamento estacionário.
Na experiência passada, vimos um importante conjunto de características DC, as
tensões VIH, VIL, VOH e VOL; que determinam os limites elétricos de cada nível
lógico (1 ou 0) do dispositivo, Mas temos outras características elétricas que são
detalhadas na tabela a seguir:
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Apostila de Treinamento
Campo
VIL
VIH
Descrição
Tensão máxima permitida na entrada, para que o sinal seja interpretado
como nível baixo
Tensão mínima permitida na entrada, para o que o sinal seja interpretado
como nível alto
Tensão máxima presente na saída do dispositivo, quando esta estiver em
VOL
nível baixo. Este limite de tensão depende da corrente que está sendo
drenada pelo dispositivo, por isso, os manuais de componentes
especificam em que condições foram feitos os ensaios.
Tensão mínima presente na saída do dispositivo, quando esta estiver em
VOH
nível baixo. Este limite de tensão depende da corrente que está sendo
fornecida pelo dispositivo, por isso, os manuais de componentes
especificam em que condições foram feitos os ensaios.
Corrente máxima que pode ser fornecida pela saída do dispositivo,
também conhecida como fan-out. É importante observar que, por
convenção, um valor positivo de IO refere-se a corrente sendo drenada
pelo dispositivo, ou seja, sua saída está em nível baixo e ele está
absorvendo esta corrente e jogando para o terra. Enquanto que um valor
IOMAX
positivo de IO indica corrente sendo fornecida pelo dispositivo, ou seja,
sua saída está em nível alto e ele está fornecendo corrente do Vcc para a
saída. Os limites de corrente para fornecimento e drenagem podem ser, e
geralmente o são, diferentes. Neste caso é comum ver em manuais dados
como IOMAX = +20mA / -0.4mA, indicando que ele pode drenar 20mA, mas
apenas fornecer 0.4mA.
Corrente máxima consumida pela entrada do dispositivo, em dispositivos
CMOS também pode ser representa por ILI (Input Leakage Current), pois
II
como estes dispositivos tem a entrada isolada (base de um MOSFET) a
corrente consumida é na verdade a corrente de vazamento deste
transistor.
Corrente máxima consumida pelo dispositivo para sua alimentação. Este
ICC
valor depende da corrente sendo fornecida pelas saídas, por isso
geralmente o valor de IO utilizado no ensaio é especificado.
Nota: É comum que os parâmetros DC dependam do valor de Vcc utilizado para
alimentar o dispositivo e da temperatura ambiente durante o ensaio. Por essa razão
os manuais costumam trazer as condições em que o ensaio foi realizado.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
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Apostila de Treinamento
Para ilustrarmos com dados reais, abaixo estão as características DC de uma porta
lógica NÃO, código 74HC04, fabricada pela NXP e presente no módulo MED52 do
conjunto didático:
Fonte: http://ics.nxp.com/products/hc/datasheet/74hc04.74hct04.pdf
Já no tocante as características AC, existem duas de notória importância,
apresentadas na tabela abaixo:
Campo
tPHL / tPLH
Descrição
Tempo de propagação do dispositivo, isto é, o tempo que sua saída
demora para responder a partir de uma mudança no estado das entradas.
Se a alteração na saída é do tipo Alto->Baixo, o a nomenclatura utilizada é
tPHL, se for do tipo Baixo->Alto, utilizamos tPLH.
tTHL, tTLH
Tempo de transição da sida, é o tempo que a saída gasta para sair de um
estado e ir para outro. Se esta transição for do tipo Alto->Baixo, nos
referimos como tTHL, caso seja o oposto a nomenclatura utilizada é tTLH.
A figura a seguir deve facilitar o entendimento de como estes tempos são medidos,
ela também foi obtida do manual do 74HC04, fabricado pela NXP.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
16
Apostila de Treinamento
Fonte: http://ics.nxp.com/products/hc/datasheet/74hc04.74hct04.pdf
Para grande dos circuitos integrados disponíveis no mercado estes tempos são
pequenos, estando na ordem de alguns nanossegundos. A tabela a seguir ilustra
com os dados reais do 74HC04 da NXP:
Fonte: http://ics.nxp.com/products/hc/datasheet/74hc04.74hct04.pdf
especial, é que ela define um conjunto de operações realizadas com elementos (ou
operandos) que só podem assumir valores 0 (zero) e 1 (um), servindo perfeitamente
aos propósitos da eletrônica digital.
Como sabemos, em eletrônica digital, um determinado sinal, seja de entrada ou
saída, apenas pode assumir um de dois estados lógicos existentes: o nível alto
(convencionalmente
associado
ao
valor
numérico
1)
e
o
nível
baixo
(convencionalmente associado ao valor numérico 0).
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Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência vamos explorar algumas características elétricas das portas
lógicas e construir um circuito combinacional.
Exemplo de aplicação:
As portas lógicas têm um vasto campo de aplicação, são peças elementares em
qualquer circuito digital, sendo a base para construção de circuitos somadores,
ULAs, circuitos seqüenciais e até microprocessadores.
1. Antes de explorarmos as características elétricas, vamos trabalhar um pouco com
as portas lógicas existentes no MED52. Utilizando cabos banana de tamanho
apropriado, realize as ligações no bastidor do conjunto didático conforme mostrado
na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. No final do ensaio anterior, construímos com circuito digital que realiza a
operação booleana OU-Exclusivo (abreviado para XOU). Felizmente existem
circuitos integrados que já realizam esta operação, sendo que o símbolo da porta
lógica que realiza esta operação é mostrado abaixo. Levante a tabela da verdade
desta porta variando os estados dos geradores de nível lógico e anotando o estado
da saída para cada combinação:
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18
Apostila de Treinamento
Porta XOU
A
S
B
A
B
0
0
0
1
1
0
1
1
S
3. Outra operação boolena bastante comum é o NOU Exclusivo, abreviado como
NXOU, que é simplesmente a operação XOU invertida. Nesta operação a saída
apenas tem estado lógico 1, quando ambas as entradas tem valores iguais. Por isto
esta operação também é conhecida como coincidência. O símbolo da porta lógica
que realiza a operação NXOU é mostrado abaixo. Levante a tabela da verdade
desta porta lógica.
Porta NXOU
A
S
A
B
0
0
0
1
1
0
1
1
S
B
̅̅̅̅̅̅̅̅
4 Cite uma aplicação possível para a operação NXOU.
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Apostila de Treinamento
5. Embora a operação XOU seja bastante simples quando observamos sua tabela
da verdade, sabemos que ela não é tão trivial, assim como não é trivial realizá-la
com mais de dois operandos. O circuito abaixo mostra como uma porta XOU de três
entradas é construída a partir de duas portas XOU de duas entradas. Encontre a
expressão booleana na forma de somatória de produtos para esta expressão:
A
B
S
C
6. Construa uma porta XOU de três entradas utilizando as portas XOU disponíveis
no módulo MED52 e levante sua tabela da verdade.
Porta XOU
A
B
C
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
S
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Apostila de Treinamento
7. Agora vamos explorar um pouco as características elétricas das portas lógicas.
Para isso utilizaremos as portas NÃO (também conhecida como inversora)
disponíveis no módulo MED52. Primeiramente, realize as conexões conforme
mostrado a seguir:
mA
+
-
8. Mantendo o gerador de nível lógico em 0, altere a resistência do potenciômetro
para mudar o valor de corrente fornecida pela porta lógica, medindo para cada
corrente a tensão existente na saída deste dispositivo, preenchendo a tabela abaixo.
IO
VOH
1mA
2,5mA
5mA
10mA
9. A tensão de saída em nível alto alterou-se para diferentes valores de corrente?
Explique quais são as implicações disso na prática.
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Apostila de Treinamento
10. Ligue a entrada da porta inversora no gerador de freqüência de 100kHz, e com o
auxílio do osciloscópio meça os tempos tPHL e tTHL preenchendo a tabela abaixo,
utilize a figura a seguir para orientá-lo.
tPHL
tTHL
11 Cite as principais implicações destes tempos de atraso no funcionamento de um
circuito digital.
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Apostila de Treinamento
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Experiência 3: Sistemas Numéricos e Comparador de
Magnitude
Objetivo

Estudar os sistemas numéricos binário e hexadecimal;

Montar um circuito comparador de magnitude.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED20 – Comparador de Magnitude

Cabos banana
Introdução
Nos ensaios anteriores construímos circuitos que realizavam operações booleanas
e apresentavam uma única saída digital. Assim eles eram capazes de, a partir
destas operações, tomar decisões do tipo Verdadeiro/Falso, Ligar/Desligar,
OK/Errado; enfim, decisões onde apenas duas opções são possíveis.
Felizmente a eletrônica digital é muito mais poderosa que isso e ela começa a ficar
bem mais interessante quando agrupamos vários sinais digitais para representar
números, e realizamos operações sobre estes números. Você deve estar
imaginando algo como uma calculadora, pois foi exatamente este um dos grandes
saltos da eletrônica digital, em 1971 a Intel lançou o 4004, a primeira unidade de
processamento capaz de realizar operações lógicas (E, OU, NÃO, etc.) e aritméticas
(+, -, x, ÷) com operandos de 4bits.
Chegaremos lá, mas primeiro temos de entender como números são representados
por sinais digitais. Conforme vimos até aqui, um sinal digital pode apresentar dois
estados lógicos que são representados pelos valores 0 e 1. Se agruparmos dois
sinais digitais, teremos 4 combinações de estados possíveis: 00, 01, 10, 11. Certo?
Podemos então dizer que a primeira combinação representa o número 0, a segunda
combinação o número 1, a terceira, o número 2 e a última o número 3. O que
estamos fazendo é justamente associar um número decimal a uma combinação de
sinais digitais. Pois esse é justamente o princípio que utilizamos para representar
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24
Apostila de Treinamento
qualquer número inteiro (para números fracionários a história é um pouco mais
complexa) em um sistema digital.
Os números que utilizamos no dia a dia estão em base decimal, ou base 10, porque
todos eles são formados por dígitos que vão de 0 a 9, ou seja, são formados por
dígitos que podem assumir 10 valores diferentes (0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9), por isso
o nome base 10. Sem dúvida, este é o sistema numérico que surgiu primeiro e é
também o mais empregado e difundido. Isto porque o ser humano, quando começou
a desenvolver a habilidade de contar, utilizava os dedos da mão para fazê-lo, e a
grande maioria das pessoas tem 10 dedos nas mãos. O que talvez ninguém tenha
lhe dito até hoje é que, quando escrevemos um número em base 10, estamos na
realidade escrevendo uma seqüência de potências de 10. Veja o exemplo abaixo
para o número 5731:
5
7
103
102
3
1
102
100
5.103 + 7.102 + 3.101 + 1.100 = 5731
Para representar números utilizando sinais digitais, prosseguimos de maneira
análoga, porém, como cada sinal pode apresentar apenas 2 valores possíveis, a
base utilizada para representar os números é a base binária, ou base 2. Nesta base
cada dígito pode apresentar valor 0 ou 1, e corresponde a uma potência de 2,
conforme mostrado na figura a seguir:
MSB
1
1
0
1
23
22
21
20
LSB
1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 13
Assim, podemos perceber que o número binário 1101, corresponde ao número
decimal 13. Note que, enquanto na base decimal podemos representar números até
9999 utilizando quatro dígitos, na base binária com quatro dígitos, representamos no
máximo 1111, que equivale ao decimal 15. Apenas por curiosidade, para
representar o número 9999 em binário, utilizamos 14 dígitos (10011100001111).
Cada dígito binário é comumente chamado de bit, assim dizemos que 1111 é um
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25
Apostila de Treinamento
número binário de 4 bits. Conforme podemos observar na figura anterior, o bit
localizado mais a esquerda representa a maior potência de 2 (no caso, 23) é por
isso é conhecido como Bit Mais Significativo (ou em inglês MSB – Most Significant
Bit) e o dígito mais a direita representa a menor potência de 2 (20) e é conhecido
como Bit Menos Significativo (ou em inglês LSB, Least Significant Bit).
Na experiência passada observamos o funcionamento de algumas portas lógicas,
levantamos suas tabelas da verdade e chegamos a projetar e montar um circuito
combinacional. Porém, falamos apenas brevemente das características elétricas das
portas lógicas disponíveis no mercado.
Podemos separar essas características em dois grandes grupos, características DC
(corrente contínua) e características AC (corrente alternada). Obviamente, tratandose de um circuito integrado digital, jamais podemos utilizar tensões AC da rede
elétrica nestes dispositivos, quando nos referimos a características AC, queremos
dizer que estamos dando ênfase ao comportamento deste dispositivo na presença
de sinais pulsantes em suas entradas, ou seja, seu comportamento dinâmico. Já
quando nos referimos características DC, estamos interessados nos limites elétricos
do dispositivo em uma determinada condição de trabalho, ou seja, seu
comportamento estacionário.
O processo de conversão de um número binário para decimal é relativamente
simples, e praticamente o fizemos quando mostramos como um número binário é
representado. Basta somar o valor das potências de 2 associadas com cada dígito
de valor 1, como mostrado abaixo:
MSB
1
23
1
+ 22
0
1
+
LSB
20 = 13
O processo inversão, conversão de um número decimal é um pouco mais
complicado. Uma das maneiras mais simples de realizar esta conversão é através
de divisões por 2, abandonando-se o resto, até o quociente chegar a zero. Ao fim
das divisões o número convertido em binário estará no resto das divisões, conforme
mostrado na figura a seguir na conversão do número 25 em binário:
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Apostila de Treinamento
LSB
MSB
Outra base numérica muito empregada em eletrônica digital é a base hexadecimal,
ou base 16. Nesta base cada digito pode apresentar um de 16 valores possíveis,
são eles 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E e F (isso mesmo, letras são
utilizadas para representar valores maiores que 9). Como era de se esperar, cada
digito de um número hexadecimal representa uma potência de 16, conforme
mostrado a seguir para o número 9FCD
9
F
163
162
C
D
162
160
9.103 + 15.102 +12.101 + 13.100 = 40909
Como pode ser observado, esta conversão pode ser bastante complicada,
principalmente quando envolve potências grandes de 16, mas o fato é que ela
raramente é necessária na prática. A razão pela qual a base hexadecimal é tão
difundida em eletrônica digital é que a conversão de hexa para binário, e vice-versa,
é bastante simples, tão simples que, costumam-se representar valores numéricos
utilizados em circuitos digitais, utilizando a base hexadecimal, mesmo sabendo que
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
27
Apostila de Treinamento
a prática estes números estão representados por sinais digitais, ou seja, na forma
binária. Desta forma para evita-se a escrita de longas seqüencias de zeros e uns
que se tornam ilegíveis e difíceis de memorizar. Para converter de binária para
hexadecimal, basta agrupar os dígitos binários em grupos de 4 bits (que são
conhecidos como nibbles) e substituí-los pelo seu equivalente hexadecimal,
conforme mostrado a seguir:
1001
1111
1100
1101
9
F
C
D
O processo inverso é semelhante, basta substituir os símbolos hexadecimais por
seus equivalentes binários. Obviamente, este processo torna-se mais fácil e
automático quando sabemos de cor a correspondência entre cada nibble e seu
equivalente em hexadecimal.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
28
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência vamos exercitar conversões entre os sistemas numéricos e em
seguida montar um circuito comparador.
Exemplo de aplicação:
Circuitos comparadores podem ser utilizados para verificação de integridade de
dados, decodificadores de endereços, além de fazerem parte de praticamente todas
as Unidades Lógicas Aritméticas (ULA).
1. Utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações no bastidor
do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Preencha a tabela abaixo, convertendo os valores para binário e decimal. Em
seguida, altere os estados das chaves para cada um dos valores binários, e registre
o valor exibido no display do conjunto didático.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
29
Apostila de Treinamento
Tabela de Conversão
Decimal
Binário
Hexadecimal
Valor no Display
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Nota: O display do conjunto didático não exibe valores maiores que 9.
3. Uma das operações mais básicas realizada com valores numéricos é a de
comparação. Um comparador de magnitude simples é um circuito digital, cuja saída
é ativada quando os dois operandos são iguais. Obviamente, quanto mais bits
tiverem estes operandos, mais complexo é o circuito. Projete um circuito digital que
realize a comparação de dois operandos de 4bits.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
30
Apostila de Treinamento
4. Felizmente, na prática não precisamos montar este circuito utilizando portas
lógicas, já que existem alguns circuitos integrados que realizam esta função. O
módulo MED20 traz um destes dispositivos, o 74HC688. Instale o módulo no
bastidor do conjunto didático e realiza as ligações mostradas abaixo:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
31
Apostila de Treinamento
5. Note que da maneira que as ligações foram feitas, as chaves D0 a D3
correspondem a um operando e as chaves D4 a D7 ao outro operando. Note
também que o comparador presente no módulo MED20 utiliza operandos de 8 bits,
e na ligação proposta os bits mais significativos de cada operando foram ligados ao
terra. Isto afeta o resultado da comparação?
6 Altere o estado dos geradores de nível lógico e descreva como a saída do módulo
se comporta.
7 Na ligação realizada o borne G está conectado ao terra. Remova esta ligação e
ligue ele a um gerador de nível lógico. Altere o estado deste sinal e explique como a
saída se comporta. Qual a função do sinal G?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
32
Apostila de Treinamento
8 Descreva algumas aplicações do comparador de magnitude.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
33
Apostila de Treinamento
Experiência 4: Unidade Lógica Aritmética
Objetivo

Estudar as operações aritméticas com operandos binários;

Montar um circuito utilizando um ULA.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED35 – ULA

Cabos banana
Introdução
Até este momento aprendemos um conjunto de sinais digitais pode representar um
número em base binária e aprendemos uma operação bastante simples, a
comparação. Convém agora estudarmos outras operações, lógicas e aritméticas,
realizadas com operandos binários.
Começaremos pela adição. A operação de adição de números binários é
extremamente simples, mais fácil até que a adição realizada com operandos
decimais. A única coisa que devemos ter em mente é que cada dígito apenas
assume valor 0 ou 1, assim quando temos uma soma do tipo 1+1 o resultado é 0
com “vai um”. Da mesma forma que, no sistema decimal, a soma de 9+1 tem como
resultado 0, com “vai 1”. A figura abaixo deve auxiliá-lo no entendimento:
1 1 0 1
+
1 0 0 1
1 0 1 1 0
Note que na soma mostarda no exemplo, os operandos possuem 4 bits, mas o
resultado apresenta 5bits, isto porque temos um “vai 1” na soma dos dígitos mais
significativos. Este bit extra é conhecido como “estouro”, pois o limite de 4 bits dos
operandos foi estourado, ou também como carry.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
34
Apostila de Treinamento
A subtração é um pouco mais complexa e pode ser realizada de maneiras distintas.
Quando estamos fazendo uma subtração do tipo a-b, sendo que a>b, temos um
resultado positivo, neste caso a técnica utilizada para subtrair números decimais,
pode ser utilizada aqui sem grandes problemas:
Emprestimo
1 1 0 0
-
1 0 0 1
0 0 1 1
Porém, quando o resultado é negativo outra técnica é mais útil. Esta técnica
consiste simplesmente em transformar a subtração em uma soma entre um número
positivo e um número negativo. Para escrevermos um número negativo em binário,
utilizamos uma notação conhecida como “complemento de 2”. A figura a seguir
mostra como um número é representado em complemento de dois, utilizando como
exemplo o número -7:
1. Escrevemos o número
positivo em binário
0 1 1 1
2. Adicionamos um bit extra
à esquerda
0 0 1 1 1
3. Invertemos cada bit
1 1 0 0 0
4. Somamos 1 o valor
invertido
1 1 0 0 1
Agora para realizar a subtração, basta somar o número negativo ao número do qual
se desejava subtrair. Vamos supor que gostaríamos de realizar a subtração 4 - 7,
então bastaria somar os números 4 e -7:
0 1 0 0
+1
1 0 0 1
1 1 1 0 1
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
35
Apostila de Treinamento
Vimos como duas operações básicas, a adição e subtração, são realizadas com
valores em binário. Além das operações aritméticas, também podemos realizar
operações lógicas com argumentos em binário. Na realidade estas operações são
mais simples que as operações aritméticas, pois não envolvem carry, empréstimo
ou números negativos. Basta realizarmos a operação lógica me questão bit a bit:
1 1 0 1
E
1 0 0 1
1 0 0 1
1 1 0 1
OU
1 0 0 1
1 1 0 1
1 1 0 1
XOU
1 0 0 1
0 1 0 0
Como falamos no ensaio anterior, um dos principais avanços da eletrônica digital foi
à capacidade de realização de operações lógicas e aritméticas através de circuitos
eletrônicos, dando início ao que hoje conhecemos como processamento de dados.
Estes circuitos foram os embriões dos processadores e microcontroladores que
utilizamos nos dias atuais.
Inicialmente estes circuitos eram construídos com portas lógicas, mas demorou até
que eles fossem integrados em um único dispositivo que recebeu o nome de ULA –
Unidade Lógica Aritmética. Neste ensaio iremos utilizar uma ULA de 4 bits, baseada
no funcionamento do circuito integrado 74181, que hoje praticamente não é mais
encontrado no mercado, já que qualquer microcontrolador ou microprocessador
contém uma ULA interna.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
36
Apostila de Treinamento
Esta ULA realiza uma série de operações, sendo que a operação é selecionada por
quatro pinos de função (F0 a F3) e um pino de Modo (M), este último seleciona se a
operação realizada será lógica (M=1) ou aritmética (M=0). A tabela seguir mostra as
operações suportadas pela ULA:
Fonte: http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT181_CNV_2.pdf
Como vimos, operações de soma podem produzir um bit extra de estouro ou carry,
quando o resultado soma extrapola o valor máximo suportado, para ULA em
questão este valor máximo é 15, já que é uma ULA de 4bits. Pois bem, quando
várias ULAS são utilizadas em paralelo, para operações com números maiores que
4bits, temos de ligar a saída de carry de uma ULA (pino Cn+4) à entrada de carry da
ULA do próximo estágio (pino CN). Na prática, quando CN está em 1, significa que é
não há carry do estágio anterior (a entrada e saída de carry são invertidas, isto é
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
37
Apostila de Treinamento
ativas em nível baixo), já quando Cn=0, necessário somar 1 ao resultado da
operação.
Procedimento
Nesta experiência vamos realizar algumas operações lógicas e aritméticas
utilizando uma Unidade Lógica Aritmética (ULA).
Exemplo de aplicação:
As ULAs estão presentes em calculadoras e em qualquer microcontrolador ou
microprocessador.
1. Utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações no bastidor
do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que da maneira como as ligações foram feitas, temos um operando o
operando X ligado aos geradores de nível lógico D0 a D3, o operando Y ligado aos
geradores D4 a D7, o nibble de saída ligado aos indicadores de nível lógico D0 a
D3, a saída de carry e indicação de igualdade, ligados aos indicadores de nível
lógico D5 e D4, respectivamente. Porém, nem todas as ligações necessárias estão
representadas na figura, já que para cada operação a ser realizada, deve-se
selecionar os níveis de F0 a F3 e M, de acordo com a tabela mostrada
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
38
Apostila de Treinamento
anteriormente. Lembrando que para colocar o borne em nível alto ele deve ser
ligado a saída de +5V existente no bastidor, e para colocá-lo em nível baixo ele
deve ser ligado ao terra. Com isto em mente preencha a tabela a seguir, anotando o
resultado de cada operação realizada pela ULA:
X
Y
Operação
̅̅̅̅
M
X3-X0
Y3-Y0
F3-F0
S3-S0
̅̅̅̅̅̅̅
5
4
X menos 1
1
0
0101
0100
0000
0100
1
5
4
X menos 1
0
10
5
XY menos 1
1
10
5
XY menos 1
0
12
13
X mais Y
1
12
13
X mais Y
0
10
11
10
11
X menos Y
0
6
4
X mais X
1
6
4
X mais X
0
4
6
X+Y
0
4
6
X+Y
1
9
5
XY
1
11
15
XY
1
5
10
X XOU Y
1
5
10
X NXOU Y
1
X menos Y 1
1
Nota: As operações aritméticas estão escritas por extenso (mais e menos), para
diferenciar da operação OU, indicado pelo símbolo +. Além disso, a notação XY,
indica operação lógica X E Y, e não a multiplicação de X por Y.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
39
Apostila de Treinamento
3. A partir de suas observações no item anterior responda: como o carry afeta as
operações lógicas?
4. Elabore o diagrama lógico de uma ULA de 8 bits, utilizando duas ULAs 74HC181
(4 bits).
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
40
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
41
Apostila de Treinamento
Experiência 5: Display de 7segmentos e Matriz de Pontos
Objetivo

Verificar o funcionamento de displays de 7 segmentos e matriz de ponto;

Montar um circuito decodificador BCD – 7 segmentos.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED05 – Decodificador de 7 segmentos

Cabos banana
Introdução
Nos ensaios anteriores verificamos como um conjunto de sinais digitais pode ser
agrupado de maneira a representar um valor numérico, utilizando para isso o
sistema binário. Vimos ainda como realizamos operações aritméticas neste sistema
numérico, e como realizamos conversões entre sistemas numéricos.
Porém, como pudemos observar, a representação de números no sistema binário,
embora essencial para eletrônica digital, nem sempre é intuitiva para a grande
maioria das pessoas. Imagine se a calculadora, no lugar de dígitos, exibisse uma
seqüência de LEDs, representando os operandos e resultados em binário, não seria
nada prático, seria?
Pois bem, felizmente existem maneiras muito mais intuitivas de realizar esta
interface com o usuário, uma delas é através do uso de display de 7segmentos.
Você certamente já viu este dispositivo, seja em rádio-relógio, despertadores,
medidores de vários tipos, ou mesmo em filmes, como temporizador de bombas!
Este dispositivo consiste basicamente de 7 LEDs de formato alongado, agrupados
convenientemente de maneira a formar o dígito 8. Assim, cada LED corresponde a
um segmento (por isso o nome display 7 segmentos), podendo ser acesos ou
apagados de maneira a formar os dígitos. Existe ainda um oitavo LED, de formato
redondo, que representa o ponto decimal. A figura a seguir mostra a disposição
destes LEDs em display de 7 segmentos.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
42
Apostila de Treinamento
Como podemos verificar pela figura acima, um display de 7 segmentos pode
apresentar dois esquemas internos de ligação: Catodo Comum e Anodo Comum.
No esquema Catodo Comum, todos os catodos dos LEDs são interligados, e ficam
disponíveis nos pinos centrais da parte inferior e superior do display. Assim para
acender um determinado LED é necessário ligar o pino comum ao GND (basta ligar
um deles, não é necessário ligar ambos), e uma tensão positiva, via um resistor
para limitar a corrente, ao anodo do LED desejado (disponíveis nos pinos a, b, c, d,
e, f, g ou dp).
O esquema anodo comum é exatamente o oposto, os anodos
encontram-se ligados aos pinos comuns e os catodos disponíveis nos pinos de a, b,
c, d, e, f, g, e dp. Assim, para acender um LED neste esquema, é necessário aplicar
Vcc a um dos pinos comuns, e ligar o catodo do LED desejado ao terra, via um
resistor para limitar a corrente.
Obviamente, para, a partir de um conjunto de bits, produzirmos a combinação
correta dos sinais a, b, c, d, e, f e g, que representam o dígito que se deseja exibir,
precisamos utilizar um decodificador. Os modelos mais comuns de decodificadores,
chamados de decodificadores BCD - 7segmentos convertem seqüencias de 4 bits
(nibbles) de valores de 0000b a 1001b, em combinações de sinais que reproduzem
dígitos de 0 a 9 no display. A sigla BCD citada anteriormente significa Binary Coded
Decimal, ou Decimal Codificado em Binário. Este formato de representação de
valores em binário é um pouco diferente do sistema binário convencional que
apresentamos anteriormente, e é muito empregado quando utilizamos displays de 7
segmentos.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
43
Apostila de Treinamento
No sistema BCD, um valor decimal qualquer é separado em dígitos, e cada dígito é
representando pelo seu equivalente binário. Note que isto bem diferente de
representar um número em base 2, conforme ilustra a figura a seguir:
Conversão Decimal - BCD
2
5
0010
0101
Conversão Decimal - Binário
11001
Este formato de representação é útil quando utilizamos displays 7 segmentos,
porque elimina nibbles com valores de 1010b a 1111b, que utilizam mais de um
dígito para serem representados em formato decimal (10 a 15, respectivamente).
Em BCD o valor 10 é representado como 0001 0000 e, 15 como 0001 0101;
podendo, cada grupo de 4 bits, ser enviado para um decodificador diferente, um
representando as unidades e outro as dezenas. Se utilizássemos o sistema binário
puro, então o decodificador das dezenas deveria levar em conta alguns dos bits
utilizados pelo decodificador de unidades, e apresentaria um circuito digital diferente
desse. Ou seja, o sistema não seria modular. Já, quando utilizamos BCDs, podemos
adicionar novos dígitos, apenas acrescentando novos conversores, já que os
circuitos utilizados para converter o dígito das unidades, dezenas, centenas, e assim
por diante, são todos idênticos.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
44
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos estudar a codificação BCD e montar um circuito
decodificador BCD – 7 segmentos.
Exemplo de aplicação:
Decodificadores BCD – 7 segmentos estão presentes sempre que um display de 7
segmentos é utilizado, como em rádio relógios, medidores de variados tipos,
indicadores em elevadores, etc.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
a
MED05 - DECODIFICADOR DE 7 SEGMENTOS
a
In p u ts
f
b
f
b
g
g
c
e
c
e
d
CD4511
d
LE
BI
LT
x
x
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
x
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
D3 D2
x
x
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
x
x
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
D1 D0
x
x
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
x
x
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
a
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
b
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
c
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
Ou tp u ts
d e f g
1 1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 0
0 0 0 0
1 1 0 1
1 0 0 1
0 0 1 1
1 0 1 1
1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 1
0 0 1 1
S
B
+12VDC
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
CD4511
MATRIZ DE PONTOS
GND
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Primeiramente vamos determinar que segmentos devem ser acesos para cada
dígito a ser representado, para isso preencha a tabela a seguir:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
45
Apostila de Treinamento
Valor
Dígito
a
b
c
d
e
f
g
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
46
Apostila de Treinamento
3. Agora altere o estado dos geradores de nível lógico, D3 a D0, reproduzindo cada
um dos valores da tabela anterior e verificando se o dígito representado
corresponde ao esperado.
4. Altere os estados dos geradores D3 a D0, introduzindo valores maiores que
1001b. Que dígitos são exibidos no display de 7 segmentos?
5. A partir de sua resposta no item anterior, indique qual o tipo de decodificador está
montado neste módulo e explique como chegou a esta conclusão.
6. Qual a diferença entre a representação de um número em BCD e sua
representação em base binária?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
47
Apostila de Treinamento
7. Vamos praticar um pouco a representação de valores em BCD. Preencha a
tabela abaixo, com a representação no sistema binário convencional e BCD:
Valor
Binário
BCD
9
17
25
38
43
55
67
73
89
99
131
8. Agora altere o estado dos geradores de nível lógico, D7 a D0, reproduzindo cada
um dos valores da tabela anterior e verificando os dígitos exibidos. As chaves
devem representar os valores de qual coluna da tabela (Binário ou BCD)?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
48
Apostila de Treinamento
9. O que aconteceria se inseríssemos nas chaves a combinação da coluna Binário,
no item anterior? Explique como isso poderia impactar o funcionamento de um
circuito digital.
10. Outra forma de interface com o usuário bastante comum é a matriz de pontos.
No módulo MED05 temos uma matriz de 7x5 pontos. Cada ponto, ou pixel, pode ser
aceso independentemente, aplicando-se nível alto em sua linha e nível baixo em
sua coluna. Realize as ligações a seguir.
a
MED05 - DECODIFICADOR DE 7 SEGMENTOS
a
In p u ts
f
b
f
b
g
g
c
e
c
e
d
CD4511
d
LE
BI
LT
x
x
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
x
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
D3 D2
x
x
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
x
x
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
D1 D0
x
x
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
x
x
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
a
1
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
1
b
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
1
1
c
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
Ou tp u ts
d e f g
1 1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 0
0 0 0 0
1 1 0 1
1 0 0 1
0 0 1 1
1 0 1 1
1 1 1
0 0 0 0
1 1 1 1
0 0 1 1
S
B
+12VDC
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
CD4511
MATRIZ DE PONTOS
GND
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
49
Apostila de Treinamento
11. Ajuste o potenciômetro de 1K para cerca de metade do seu curso (ele será
nosso ajuste de brilho da matriz. Aplique nível alto em um dos geradores de nível
lógico e a coluna correspondente deve acender integralmente, pois todas as linhas
estão ligadas ao terra.
12. Cite alguns prós e contras de utilizar a matriz em vez do display de 7
segmentos.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
50
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
51
Apostila de Treinamento
Experiência 6: Flip-flops
Objetivo

Verificar o funcionamento de diversos tipos de flip-flops;

Montar e testar circuitos com flip-flops de tipos diferentes.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED55 – Flip-flop

Cabos banana
Introdução
Até este momento, todas as aplicações que estudamos são formadas por circuitos
eletrônicos digitais que conhecemos como: circuitos combinacionais. Você pode
estar pensando o que ULAs, portas lógicas e decodificadores têm em comum, bem
eles têm em comum que cada saída é determinada por uma combinação específica
das entradas, por isso circuito combinacional.
Já os circuitos seqüenciais, que estudaremos agora, possuem uma peculiaridade, o
estado de suas saídas não depende só das entradas, mas também do estado
anterior que estas saídas se encontravam. E como isto é possível? Muito simples,
interligando, de uma maneira específica, as saídas do circuito a algumas das portas
lógicas de entrada, o que chamamos de realimentação (em qualquer disciplina
técnica, realimentação é o processo de utilizar uma porção da saída, no
processamento das entradas).
Um dos circuitos digitais em que a realimentação pode ser encontrada e que, é a
base dos circuitos seqüenciais, é o flip-flop. A figura a seguir mostra o diagrama
lógico de um flip-flop RS, um dos primeiros flip-flops utilizados em eletrônica digital.
O flip-flop, independentemente do tipo, apresenta em geral duas saídas, Q e ̅ ,
sendo que a segundo é o inverso da primeira. A principal característica de um flipflop é que ele circuito biestável, isto é, suas saídas possuem dois estados estáveis,
0 e 1.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
52
Apostila de Treinamento
S
Q
CLK
Q
R S
Saída Futura (Qn+1)
0
0
Saída Anterior (Qn)
0
1
0
1
0
1
1
1
Não Permitido
Nota: Quando ambas as entradas estão em nível alto, ambas as saídas irão para
nível alto também, o que é uma violação da condição que uma saída deve ser o
inverso da outra. Por isso, esta combinação de entradas não deve ser utilizada.
Talvez você esteja pensando, mas uma porta lógica qualquer também possui dois
estados estáveis, uma porta E, por exemplo, com suas entradas em 1 ela manterá
sua saída em nível 1, com uma das entradas em 0, sua saída ficará em zero. Mas
não é bem isso que queremos dizer, quando afirmamos que um circuito possui dois
estados estáveis, queremos dizer que existe uma combinação de entradas que
manterá o estado atual da saída, seja ele qual for (para o caso do flip-flop RS esta
combinação é quando ambas as entradas estão em nível baixo). Note que isto não
é possível em um circuito digital onde não há realimentação. É esta característica
que faz do flip-flop um circuito especial, ele é capaz de memorizar o estado de uma
saída, sendo a base para construção de qualquer memória.
Outra característica, presente na grande maioria dos flip-flops, é uma entrada para o
sinal de clock. O sinal de clock confere sincronia a transição do flip-flop, fazendo
com que a saída só seja atualizada (de acordo com os estados das entradas)
quando este sinal está ativo, no caso do flip-flop RS isto ocorre quando CLK está
em nível alto. Mas existem flip-flop que reagem apenas à bordas do sinal de clock,
isto é, a saída é atualizada apenas quando o clock transita de um estado para outro.
Estes flip-flop podem ser sensíveis a bordas de subida, apenas atualizam as saídas
em transições do tipo Baixo -> Alto do clock, ou a bordas de descida, respondendo
a transições do tipo Alto -> Baixo do clock. Iremos explorar alguns tipos de flip-flops
ao longo deste ensaio.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
53
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos estudar variados tipos de flip-flops, levantar suas tabelas
funcionais e discutir suas aplicações.
Exemplo de aplicação:
Flip-flops estão presentes em qualquer circuito seqüencial, sendo o elemento
constituinte de contadores, timers, registradores de deslocamento, memórias, para
citar algumas de suas aplicações.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que no esquema acima, as entradas R e S do flip-flop estão ligadas a
geradores de nível lógico, as saídas
e ̅̅̅̅ estão ligadas a LEDs e o circuito do
clock está ligado como mostrado a seguir. A resistência de 1K para terra é
comumente chamada de pull-down e serve para não deixar este pino flutuante
(susceptível a incidência de ruídos), quando a chave pulsadora está aberta.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
54
Apostila de Treinamento
+5V
R
Q
CLK
1K
S
Q
3. Vamos agora levantar a tabela da verdade deste flip-flop. Lembre-se que a cada
alteração dos estados das entradas R e S, é necessário dar um pulso de clock para
atualizar as saídas:
R
S
0
0
0
1
1
0
1
1
̅̅̅̅
4. Note que quando R e S estão em 0, o estado da saída é mantido, qual é a
importância deste modo de operação do flip-flop?
5. O uso de R e S em alto é uma combinação que produz um estado das saídas
peculiar. Explique porque este modo de operação deve ser evitado.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
55
Apostila de Treinamento
6. A seguir, vamos trabalhar com um novo tipo de flip-flop, o JK. Primeiramente
realize as ligações como indicado a seguir:
7. Vamos levantar também a tabela da verdade deste flip-flop. Lembre-se que a
cada alteração dos estados das entradas J e K, é necessário dar um pulso de clock
para atualizar as saídas (exceto para mudanças nos sinais de PRT e RST que não
dependem do clock):
J
K
RST
PRT
X
X
1
0
X
X
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
̅̅̅̅
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
56
Apostila de Treinamento
8. A principal diferença deste flip-flop para o flip-flop RS ocorre quando J e K estão
em nível alto, modo de operação conhecido como Toggle (ou também flip-flop T).
Note que nesta situação, a cada pulso de clock o estado das saídas é invertido. Cite
uma possível aplicação deste modo de operação.
9. Outra variação do flip-flop JK é o flip-flop D. Este flip-flop consiste em um flip-flop
JK com uma inversora entre as entradas, conforme mostrado a abaixo. Utilizando o
módulo de portas lógicas (MED52), construa um flip-flop D, conforme mostrado a
seguir:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
57
Apostila de Treinamento
D
Q
J
D
CLK
K
Q
CLK
Q
Q
10. Vamos agora levantar a tabela da verdade deste flip-flop. Lembre-se que a cada
alteração dos estados da entrada D, é necessário dar um pulso de clock para
atualizar as saídas:
D
RST
PRT
X
0
1
X
1
0
0
0
0
1
0
0
̅̅̅̅
11. Esta configuração também é chamada de Latch, e ela é capaz de armazenar
qualquer que seja o estado da entrada D, quando um pulso de clock é aplicado. Cite
as aplicações deste modo de operação.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
58
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
59
Apostila de Treinamento
Experiência 7: Contadores Assíncronos
Objetivo

Montar um contador assíncrono, utilizando flip-flops JK, de 3 estágios;

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED70 – Contador Assíncrono

Cabos banana

Osciloscópio
Introdução
Uma das principais aplicações dos flip-flops é na construção de circuitos
contadores, isto é, circuitos com uma ou mais saídas, cujo estado destas é alterado
mediante a aplicação de um sinal de clock. Cada estado possível das saídas
representa um valor da contagem e dizemos que o número de estados existentes é
o módulo da contagem ou do contador. Assim um contador decimal de 0 a 9,
extremamente comum, é um contador de módulo 10 (apresenta 10 estados
possíveis de contagem) e valores de contagem 0, 1, 2, ..., 9.
O contador assíncrono é um dos circuitos mais simples de contador, composto por
flip-flops JK ligados em cascata, conforme exibido na figura a seguir:
Nesta figura, temos um contador assíncrono de três estágios, ou seja, composto por
três flip-flops. Note que cada flip-flop é sensível a borda de descida no clock, como é
comum em contadores assíncronos e que ambas as entradas J e K estão ligadas
em nível 1, ou seja, ele está em sua configuração de flip-flop T. Dessa forma cada
transição de 0->1 do clock provoca alteração do estado da saída do flip-flop 0,
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
60
Apostila de Treinamento
sendo que a cada transição 0->1 da saída Q0 deste flip-flop provoca alteração do
estado do próximo flip-flop e assim por diante. É possível também utilizar flip-flops
sensíveis a borda de descida para construir um contador, neste caso, interliga-se a
saída barrada de um flip-flop à entrada de clock do próximo flip-flop. A seguir temos
a carta de tempo exibindo a mudança de estado de cada flip-flop.
Se assumirmos que Q0 é o bit menos significativo (LSB- Least Significant Bit) do
valor da contagem e que Q2 é o bit mais significativo (MSB- Most Significant Bit),
então obtemos os valores de contagem exibidos no gráfico abaixo do eixo das
abscissas.
Nosso contador de três estágios é então um contador de módulo 8, com valores de
contagem de 0 a 7. Uma característica importante dos contadores assíncronos é
que o módulo do contador é sempre uma potência de base 2, de acordo com a
relação (onde n é o número de estágios, ou de flip-flops, do contador):
Para mudarmos este valor, isto é, para alterarmos o módulo do contador
assíncrono, são necessários circuitos combinacionais que provoquem o reset do
contador quando o último valor de contagem desejado for alcançado. Por exemplo,
se desejássemos um contador de módulo 6, teríamos 5 (em binário 101) como o
último valor de contagem, assim sendo, poderíamos acrescentar uma porta NAND
como mostrada a seguir, ligada as saídas dos flip-flops e ao sinal de reset de todos
eles:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
61
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos construir um contador assíncrono de três estágios.
Exemplo de aplicação:
Com mais estágios, este contador poderia ser utilizado em roletas de acesso, para
contar o número de pessoas que entram em um estabelecimento.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note na figura acima que a entrada de clock do flip-flop 0 (CLK0) está ligada a um
gerador de nível lógico. Altere o estado deste gerador e indique o que ocorre para
cada transição (0->1 e 1->0) e explique o por que:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
62
Apostila de Treinamento
3. Altere a entrada de clock do contador, ligando CLK0 ao gerador de 1Hz presente
no bastidor. Descreva a mudança de comportamento:
4. Com base nas observações do item anterior, qual é a diferença entre um
contador e um temporizador?
5. Altere mais uma vez a entrada de clock do contador, ligando a entrada CLK0 ao
gerador de 1KHz presente no bastidor.
6. Com o auxílio de um osciloscópio, meça o sinal presente na entrada de clock e na
saída do primeiro flip-flop (Q0), plotando os sinais medidos no gráfico a seguir (não
se esqueça de cotar os eixos das abscissas e ordenadas):
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
63
Apostila de Treinamento
7. Com base nas suas observações do item anterior, descreva qual a relação entre
as freqüências dos sinais medidos:
8. Compare agora a freqüência do sinal presente em Q2 e a freqüência de clock:
9. Divisores de freqüência, conhecidos também como prescalers, tem uso bastante
freqüência
em
circuitos
seqüenciais
e
estão
presente
na
maioria
dos
microcontroladores e microprocessadores existentes, permitindo a geração de sinais
internos que são uma fração da freqüência de clock. Diga como deveríamos
proceder para construirmos um divisor de freqüência de valor 14, ou seja, que
possuísse em sua saída uma freqüência igual a 1/14 da freqüência aplicada:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
64
Apostila de Treinamento
10. Um dos grandes problemas do contador assíncrono é o atraso de propagação.
Como os flip-flops são ligados em cascata, o tempo de atraso entre a borda de
subida do clock e a alteração do estado do último flip-flop será igual à n.tPHL (ou
n.tPLH) onde n é o número de estágios e tPHL é o tempo de propagação de um único
flip-flop (pode se usar também o tempo tPLH, a diferença entre um tempo e outro é
que o tPHL considera a transição na saída de 1->0, e o tPLH, a transição 0->1; mas em
geral ambos os tempos são parecidos), conforme indicado na figura a seguir obtida
do datasheet do HEF4027, CI empregado no kit:
Ainda com dados do manual, o valor de tPHL típico é de 175ns. Verifique esta
informação medindo, com auxílio de um osciloscópio, o atraso existente entre a
borda de descida do clock e a alteração de estado da saída Q2. Qual o valor obtido?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
65
Apostila de Treinamento
11. O que pode ser feito para contornar este problema, quando as freqüências de
clock forem tais, que o atraso de propagação passa a ser relevante?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
66
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
67
Apostila de Treinamento
Experiência 8: Contadores Síncronos e Código Gray
Objetivo

Montar um contador síncrono up/down binário e código gray;

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED30 – Contador Síncrono

Cabos banana

Osciloscópio
Introdução
No ensaio anterior estudamos os contadores assíncronos e verificamos que nesta
arquitetura, temos flip-flops ligados em cascata, o que leva a existência de um
atraso na propagação do clock cumulativo. Pois bem, existe outra arquitetura de
contador que emprega outra estratégia, contornando este problema do acúmulo dos
atrasos de propagação, o contador síncrono. Neste modelo de contador, todos os
flip-flops recebem o sinal de clock simultaneamente.
Obviamente, em um contador geralmente queremos que cada flip-flop responda de
maneira diferente ao pulso de clock. Por exemplo, supondo um contador binário
crescente (ou up), que apresenta em suas saídas o valor 0000, queremos que
apenas o flip-flop menos significativo alterne o estado de sua saída quando o pulso
de clock for aplicado, enquanto os demais permanecem inalterados, fazendo com
que suas saídas passem para o valor 0001. Para isso acontecer, é necessário que
às entradas de cada flip-flop seja aplicado um nível lógico conveniente, que fará ele
transitar ou não de acordo com o valor atual da contagem.
Para conseguirmos isso, é necessário utilizar um circuito combinacional, formado
por portas lógicas, que receberá os valores presentes na saída de todos os flip-flop,
e produzirá, a partir destes valores, os níveis adequados a serem aplicados à
entrada de cada flip-flop. A figura a seguir ilustra a arquitetura genérica de um
contador síncrono.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
68
Apostila de Treinamento
Circuito Combinacional
T
Q
T
CLK
Q
T
CLK
Q
Q
T
CLK
Q
Q
CLK
Q
Q
Clock
Na arquitetura genérica mostrada na figura vemos a utilização de flip-flops T, porém,
podem ser empregados quaisquer tipos de flip-flops na construção de contadores
síncronos, já que podemos sempre projetar um circuito combinacional que produza
os valores adequados as entradas destes flip-flops. Justamente, uma das grandes
vantagens do contador síncrono é que, através do projeto do circuito combinacional
adequado, pode-se construir um contador de praticamente qualquer seqüência.
Obviamente, os modelos de contadores mais comuns são os contadores decimais
(contam de 0 a 9, ou seja, módulo 10) e binários (contam de 0 a F, módulo 16),
crescentes e decrescentes. Sendo que estes contadores podem ser agrupados a
fim de conseguirmos módulos maiores de contagem. Mas podemos também
construir contadores que realizem uma seqüência arbitrária de contagem. Um
exemplo disso é o contador de código Gray. Em vez de seguir a contagem
tradicional de 0, 1, 2, 3,..., este contador realiza uma contagem diferenciada, veja a
tabela a seguir:
Binário
Gray
Binário
Gray
Dec.
Bin
Dec.
Bin
Dec.
Bin
Dec.
Bin
0
0000
0
0000
8
1000
1100
1
1
0001
1
0001
9
1001
1101
13
2
0010
3
0011
10
1010
1111
15
3
0011
2
0010
11
1011
1110
14
4
0100
6
0110
12
1100
1010
10
5
0101
7
0111
13
1101
1011
11
6
0110
5
0101
14
1110
1001
9
7
0111
4
0100
15
1111
1000
8
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
69
Apostila de Treinamento
A primeira vista pode parecer uma contagem esdrúxula, mas na realidade a
contagem em código Gray apresenta uma característica bastante interessante: entre
um valor e seu sucessor ocorre a transição de apenas um bit. Isso é uma vantagem
particularmente em sistemas de sensoriamento de posição, como em encoders
ópticos.
A principal desvantagem dos contadores síncronos, como talvez você tenha
imaginado, é a maior complexidade construtiva. Para ilustrarmos essa maior
complexidade, veja na figura a seguir o circuito de um contador síncrono binário de
módulo 16 e compare com o contador assíncrono que construímos no ensaio
passado.
Fonte: Datasheet 74HC193 – National Semiconductor
Felizmente, uma série de diferentes contadores encontra-se pronta em circuitos
integrados comerciais, como o que utilizaremos nesta experiência, e o advento de
EPLDs (Electronic Programmable Logic Devices), dispositivos que permitem
implementação flexível de seqüências complexas de portas lógicas, tornou possível
construir contadores tão complexos quanto se queira.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
70
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos construir um contador síncrono up/down binário e em
seguida adaptá-lo para uma contagem em código Gray.
Exemplo de aplicação:
Contadores podem ser aplicados em temporizadores, relógios, contadores de
eventos, máquinas de estado, freqüencímetros, para citar algumas das aplicações.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que este contador possui 4 entradas digitais (D0 a D3), que permitem que
você pré-carregue o valor inicial da contagem. Para isso, basta ajustar os valores
desejados nas entradas, utilizando os geradores de nível lógico, e dar um pulso em
nível baixo no sinal de LOAD. Faça este teste e descreva o que ocorre
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
71
Apostila de Treinamento
3. Agora observe que este contador possui dois sinais de clock, COUNTUP e
COUNTDOWN. Realize algumas transições nestes sinais de clock (sempre um de
cada vez) e descreva qual a função deles e a qual borda eles são sensíveis:
4. Incremente o contador até ele atingir o valor máximo de contagem e observe o
que ocorre com o sinal CARRY. Depois decremente até ele atingir a contagem
mínima e observe o que ocorre com o sinal BORROW? Qual a função destes
sinais?
5. Faca o diagrama de um contador de 8bits, utilizando como base o contador que
estudamos deste ensaio (consulte o manual do 74HC193, em caso de dúvidas):
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
72
Apostila de Treinamento
5. Conforme comentamos, a principal vantagem do contador síncrono é o menor
atraso de propagação do clock, já que todos os flip-flops recebem o clock
simultaneamente. Conecte a entrada COUNTUP ao gerador de dor de 100KHz
presente no bastidor. Com o auxílio de um osciloscópio, meça o atraso existente
entre a borda de subida do clock e a respectiva transição da saída Q0 (t PHL ou tPLH
na figura a seguir, ambos os tempos são equivalentes). Repita a medição, agora
medindo o atraso entre a borda de subida do clock e a respectiva transição da saída
Q3. Compare os valores e medidos e comente, tendo em vista o resultado do ensaio
anterior.
6. Vamos agora utiliza o código Gray, para isso realize as ligações como mostrado a
seguir:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
73
Apostila de Treinamento
7. Incremente e decremente o contador, observando o estado das saídas, e
desenhe abaixo o diagrama da contagem:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
74
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
75
Apostila de Treinamento
Experiência 9: Latch e Buffer
Objetivo

Montar um circuito com registrador de dados (Latch);

Montar um circuito com buffer bidirecional tri-state;

Estudar e discutir as principais características destes tipos de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED15 – Latch e Buffer

Cabos banana

Multímetro
Introdução
Além dos contadores, outra aplicação bastante difundida dos flip-flops são os
registradores, ou também conhecidos como Latch. Estes dispositivos são capazes
de armazenar um conjunto de bits e são freqüentemente encontrados em circuitos
digitais e sistemas microcontrolados, em diferentes tamanhos, sendo que os mais
comuns são de 8 e 16 bits.
Como vimos, o elemento construtivo empregado em registrador é o flip-flop D,
sendo que cada flip-flop D armazena um único bit. Assim, um registrador de 4 bits,
nada mais é que um conjunto de 4 flip-flops tipo D, ligados em paralelo. A figura a
seguir mostra o circuito deste registrador.
OUT 3
D
OUT 2
Q
D
CLK
Q
D
CLK
Q
IN 3
OUT 1
Q
D
CLK
Q
IN 2
OUT 0
CLK
Q
IN 1
Q
Q
IN 0
O funcionamento deste circuito é bastante simples, quando um pulso de clock é
aplicado (no caso acima os flip-flops são sensíveis à borda de subida, mas
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
76
Apostila de Treinamento
poderiam ser sensíveis à borda de descida, ou mesmo a nível alto ou baixo), o valor
existente nas entradas é capturado por cada flip-flop, e transferido para sua
respectiva saída. A partir deste instante, mudanças nos sinais presentes na entrada
não provocam nenhuma alteração nas saídas, a menos que um novo pulso de clock
seja aplicado.
Os registradores apresentam uma vastidão de aplicações, porém, em geral eles
estão integrados em componentes mais complexos, como microcontroladores,
microprocessadores, ULAs, memórias, etc. Por essa razão, nem sempre aparecem
em circuitos digitais como componentes discretos
Outro circuito freqüentemente integrado em microprocessadores, memórias e outros
dispositivos que apresentam internamente barramentos por onde transitam sinais
digitais, é o buffer tri-state. Tri-state (cuja tradução seria como terceiro estado) é um
estado bastante peculiar que determinadas saídas de alguns dispositivos digitais
podem assumir. Tínhamos visto até agora que a saída de um dispositivo digital
poderia assumir dois estados lógicos, 0 ou 1. Bom, isso não é sempre verdade,
existe outro estado, conhecido como tri-state ou simplesmente Z, onde esta saída
apresenta uma alta impedância, como se ela estivesse desconectada do resto do
circuito.
Imagine, por exemplo, uma chave de 3 posições como mostrado na figura a seguir.
Quando esta chave está na primeira posição, temos em seu contado comum uma
tensão de 5V, que geralmente representa o nível lógico 1, quando ela está na
terceira posição, temos em seu contato comum uma tensão de 0V, que geralmente
representa o nível 0. Mas e quando esta chave está na posição central? Bem, note
que nesta situação ela não está conectada a nada, ou seja, ela está aberta ou
flutuante, este é o estado tri-state ou Z.
+5V
1
2
Comum
3
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
77
Apostila de Treinamento
Lembre-se que neste estado, o valor lógico é indeterminado, isto é, se ligarmos o
comum desta chave a uma porta lógica, ela pode interpretar o estado tri-state como
sendo 0 ou 1, dependendo de características construtivas desta porta, presença de
ruído, etc. (reveja os ensaios sobre portas lógicas para relembrar os limites que
cada porta interpreta como sendo nível 1 ou 0). Em resumo, não é desejável que
este estado seja utilizado como um estado lógico válido. Você deve então está se
perguntando, “oras por que então este estado é importante?”
Ele é vital quando temos de interligar várias saídas digitais. Por exemplo, imagine
que um processador receba dados de diferentes dispositivos, entre eles uma
memória (onde estão informações e o programa a ser executado) e uma interface
de teclado, que captura a tecla digitada pelo usuário. Em geral o processador
apresenta um único barramento de dados, então estes dois dispositivos terão de
compartilhar o mesmo barramento, conforme mostrado na figura a seguir. Se
simplesmente interligarmos a saída dos dois dispositivos, teremos colisão de
informação. A memória pode, por exemplo, querer transmitir um byte 0110 0111 ao
processador, enquanto que a interface de teclado quer sinalizar que a tecla
pressionada pelo usuário é a de valor 0000 1000. Perceba que existem bits com
valores distintos, o que significa que estamos interligando saídas que estão em nível
0 (0V), com saídas que estão em nível 1 (5V), em resumo estamos colocando sinais
em curto-circuito, e como você pode imaginar isso não é nada bom.
Processador
Hab. Memória
Barramento
de Dados
Hab. Interface
de Teclado
Memória
Interface
de Teclado
Para interligarmos estas saídas, devemos ser capazes de determinar quem pode
acessar o barramento, colocando algum elemento que seja capaz de permitir ou
bloquear a passagem da informação, de acordo com sinais de controle enviados
pelo processador. No desenho anterior, representamos este elemento que controla
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
78
Apostila de Treinamento
o fluxo da informação como uma chave que abre ou fecha de acordo com o sinal de
habilitação fornecido pelo processador. Assim, quando o processador deseja ler a
memória, habilita apenas a “chave superior”, quando quer ler a interface de teclado,
habilita apenas a “chave” inferior; resolvendo o problema da colisão de informações
no barramento.
Esta “chave” que indicamos no diagrama é justamente o buffer tri-state. Seu símbolo
convencional é mostrado a seguir e é praticamente auto-explicativo. Quando existe
um sinal de habilitação em H, ele permite a passagem da informação de A para S,
caso contrário, sua saída S fica aberta, ou em tri-state. Note que sem símbolo
lembra o símbolo da porta NÂO, porém, a inexistência da bolinha na saída indica
que não ocorre inversão do valor da entrada, por isso, às vezes o buffer é chamado
de porta não-inversora.
H
A
S
Obviamente o buffer representado acima corresponde a um único bit, assim em um
barramento de 8 bits como o citado no exemplo, seriam necessários oito buffers
desse em paralelo para cada dispositivo. Em algumas aplicações, além de permitir
ou não o fluxo da informação, é necessário controlar o sentido deste fluxo. Por
exemplo, uma memória pode transmitir dados pelo seu barramento (quando está
sendo lida), ou receber dados por este barramento, quando está sendo gravada.
Para realizar este controle do fluxo de informação é utilizado o buffer bidirecional tristate, que consiste simplesmente em dois buffers ligados em configuração
antiparalela como mostrado na figura a seguir. Nesta situação, o sinal H1 habilita o
fluxo em sentido, e o sinal H2, no sentido oposto.
H1
A
S
H2
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
79
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos montar um circuito digital com um registrado de 8 bits e,
em seguida, com um buffer tri-state bidirecional.
Exemplo de aplicação:
Registradores
e
buffers
são
elementos
constituintes
de
processadores,
microcontroladores, memórias, etc. Os primeiros, retendo a informação, e os
segundos arbitrando sobre o fluxo desta informação.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Para simplificar as ligações, utilizaremos apenas os quatro bits mais significativos
do registrador, os demais foram ligados ao terra. Escolha uma combinação qualquer
de estados de entrada, mantenha o sinal OE em nível 0, e passe o sinal LE para
nível alto, o que ocorre?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
80
Apostila de Treinamento
3 Agora continue, altere o estado das entradas, mantendo OE=0 e LE=1. O que
ocorre? O pino LE, ou Latch Enable (habilitação do Latch), corresponde ao clock
dos flip-flops D que compõem o registrador. Com base nesta informação, você diária
que os flip-flops que compõem o gerador são sensíveis a borda ou a nível?
4. Agora coloque o sinal OE (Output Enable, ou, habilitação das saídas) em nível
alto. O que ocorre? Caso você desejasse interligar as saídas de dois registradores
deste tipo, seria necessário utilizar um buffer tri-state?
5. Com base nas suas observações anteriores, qual seria uma possível aplicação
deste registrador?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
81
Apostila de Treinamento
6. Vamos agora utilizar o buffer bidirecional, para isso, realize as ligações como
mostrado a seguir.
7. Também desta vez utilizaremos apenas 4 bits do buffer tri-state, a fim de
simplificar as ligações. Note que fixamos o estado do sinal DIR em nível 0,
escolhendo a direção A->B (cheque o manual do 74HC245 caso tenha dúvidas). A
importância de fixar a direção é evitar que, acidentalmente, a direção seja invertida,
fazendo que os pinos An sejam saídas, o que poderia provocar danos ao
dispositivo, já que estes pinos estão ligados em geradores de nível lógico. Além
disso, ligamos o sinal G (habilitação dos buffers tri-state, esta habilitação é barrada,
ou seja, os buffers estão ativos com G=0) a um gerador de nível lógico também.
Com G=0, varie o estado das entradas e descreva o que ocorre com as saídas.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
82
Apostila de Treinamento
8. Agora coloque G em nível alto e descreva o que ocorre.
9. Com o auxílio de um multímetro, meça a tensão presente em uma saída Bn
qualquer e diga em que valor lógico ela apresenta.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
83
Apostila de Treinamento
Experiência 10: Registrador de Deslocamento
Objetivo

Montar um circuito com registrador de deslocamento;

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED60 – Registrador de Deslocamento

Cabos banana
Introdução
Outro circuito muito interessante construído com flip-flops é o registrador de
deslocamento (também conhecido por seu nome em inglês, shift-register). Neste
circuito, flip-flops tipo D são ligados em cascata, conforme mostrado na figura a
seguir, sendo que todos eles compartilham o mesmo clock. Assim, quando o sinal
de clock é aplicado (no caso do desenho, os flip-flops são sensíveis a borda de
subida), o valor presente na saída do flip-flop 0 passa para a saída do flip-flop 1, o
valor na saída do flip-flop 1 passa para saída do flip-flop 2, e assim por diante. E o
primeiro flip-flop, passa a ter em sua saída o valor que estava presente na entrada
do registrador de deslocamento.
OUT 0
Entrada
D
Q
CLK
OUT 1
D
Q
CLK
Q
OUT 2
D
Q
OUT 3
D
CLK
Q
Q
CLK
Q
Q
Clock
Se considerarmos que OUT0 no desenho acima é a saída menos significativa, então
podemos representar o deslocamento como mostrado abaixo, e dizemos que a cada
clock a rotação de 1 bit para esquerda, ou seja, em direção ao bit mais significativo.
OUT3 OUT2 OUT1 OUT0
Entrada
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
84
Apostila de Treinamento
Ao contrário, se dissermos que OUT3 é a saída menos significativa, então o
deslocamento equivale ao mostrado a seguir, e dizemos que houve a rotação de um
bit a direita, em direção ao bit menos significativo. Ou seja, o sentido da rotação
depende do que se considera como bit mais significativo, e de onde está a entrada
em relação a este bit.
Entrada OUT0 OUT1 OUT2 OUT3
Uma das muitas aplicações possíveis com este tipo de circuito é a conversão serialparalela. Imagine que temos o trem pulso mostrado abaixo, transmitido em conjunto
com o sinal de clock mostrado, ao nosso registrador de deslocamento de quatro
bits.
1
1
0
0
1ª
2ª
3ª
4ª
Observando o estado das saídas do registrador logo após a chegada de cada borda
de clock temos os mostrado a seguir:
1ª Borda:
X
X
X
0
Entrada=0
2ª Borda:
X
X
0
1
Entrada=1
3ª Borda:
X
0
1
1
Entrada=1
4ª Borda:
0
1
1
0
Entrada=0
Assim, a informação antes que estava na forma serial, em um trem de pulsos, após
as quatro bordas está disponível de forma paralela nas saídas do registrador de
deslocamento.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
85
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos montar um circuito digital com um registrado de
deslocamento de 8 bits.
Exemplo de aplicação:
Registradores de deslocamento são utilizados em conversores serial-paralelo e
paralelo-serial, que são um elemento importante em qualquer transmissão serial de
informação como ocorre nas interfaces USB, Ethernet e Serial do computador.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que ligamos as saídas do registrado de deslocamento aos LEDs existentes
na placa (também poderíamos utilizar os LEDs disponíveis no bastidor), e as
entradas Serial, CLK e CLR a geradores de nível lógico. Primeiramente dê um pulso
em nível baixo no pino CLR, para zerar todas as saídas.
3. Agora aplique a seqüência de valores mostrada a seguir, dando um pulso em
nível alto no sinal de clock nas transições entre os valores:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
86
Apostila de Treinamento
4. Qual o valor binário representado pelas saídas (considere D0 como a saída
menos significativa)? Qual o sentido da rotação de bits realizada pelo registrador?
Qual o primeiro bit transferido?
5 Agora considere que D0 é a saída mais significativa. Qual o valor presente nas
saídas? O sentido de rotação é alterado com esta consideração?
6. Coloque a entrada em 0 e aplique um novo sinal de clock. Compare agora o novo
valor nas saídas (considerando D0 como a menos significativa), em base decimal,
com o valor em base decimal da sua observação no item 4. Qual a relação entre
eles?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
87
Apostila de Treinamento
7. Com base nas suas observações anteriores, qual seria uma possível aplicação
prática deste registrador?
8. Aplique um sinal de Clear ao registrador para limpar as saídas. Agora aplique
nível 1 a entrada e, em seguida, um pulso de clock. Remova a ligação da entrada
serial e o gerador de nível lógico, e interligue-a à saída D7. Por último, aplique
diversos pulsos de clock e descreva o que ocorre:
9. Qual seria uma possível aplicação deste circuito?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
88
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
89
Apostila de Treinamento
Experiência 11: Decodificador BCD-Decimal e Decimal-BCD
Objetivo

Montar um circuito com decodificador BCD-Decimal;

Montar um circuito com decodificador Decimal-BCD;

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED65 – Decodificadores BCD <-> Decimal

Cabos banana
Introdução
Até vimos uma considerável variedade de circuitos digitais combinacionais e
seqüenciais, que realizam algumas funções bastante interessantes. Ainda com este
propósito, iremos estudar neste ensaio uma classe de circuitos combinacionais
bastante utilizada no projeto de sistemas microprocessados ou microcontrolados, os
decodificadores.
Em
eletrônica
digital
geralmente
chamamos
de
decodificadores
circuitos
combinacionais que são capazes de ativar uma de suas saídas, a partir de um valor
aplicado em suas entradas. Por exemplo, suponha que tenhamos um decodificador
com 4 entradas e 10 saídas como o mostrado na figura a seguir (e também presente
no módulo MED65 que utilizaremos neste ensaio).
0
1
D3
D2
Q9
Q8
0
0
1
0
D1
D0
Q7
Q6
Q5
0
1
0
Q4
Q3
Q2
0
0
0
Q1
Q0
0
0
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
90
Apostila de Treinamento
De acordo com o valor aplicado à suas entradas, uma de suas saídas é ativada.
Então, no exemplo mostrado na figura, foi aplicado as entradas o valor 0110, que
corresponde ao decimal 6, portanto a saída 6 é ativada. Como este decodificador
utilizado no exemplo possui 10 saídas (Q0 a Q9), o valor presente nas entradas
deve estar entre 0 e 9, ou seja, um dígito BCD, por isso ele conhecido como
decodificador BCD-Decimal. Neste caso, valores acima de 9, não acionaram
nenhuma saída. Mas existem muitos outros tipos de decodificadores, por exemplo, o
decodificador Binário-Octal, que possui 3 entradas e 8 saídas (Q0 a Q7), ou o
Binário-Hexa, com 4 entradas e 16 saídas (Q0 a Q15).
Estes decodificadores são úteis, por exemplo, em circuitos com processadores ou
microcontroladores, em que exista uma quantidade grande de dispositivos
compartilhando
o
mesmo
barramento
de dados,
para
a construção
de
decodificadores de endereço mais simples. Por exemplo, suponha como mostrado
na figura a seguir que tenhamos um processador que acessa 8 memórias
diferentes. Geralmente não podemos dispor de 8 pinos do microcontrolador, muito
menos de um processador, para produzir sinais de habilitação individuais a cada
memória. Neste caso, poderíamos então utilizar os três bits mais significativos do
barramento de endereço, ligados a um decodificador Binário-Octal (também
conhecido como 3-8), para produzir estes sinais de habilitação.
Processador
A15
A14
A13
Decodificador 3-8
Q1
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
Q7
Hab.
Hab.
Hab.
Hab.
Hab.
Hab.
Hab.
Hab.
Mem.0
Mem.1
Mem.2
Mem.3
Mem.4
Mem.5
Mem.6
Mem.7
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
A12
.
.
A0
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
Dados
A12
.
.
A0
D2
D1
D0
Q0
Assim, utilizando poucos pinos do processador, e sem demandar circuitos
combinacionais complexos, é possível habilitar cada memória com o uso de um
decodificador Binário-Octal. Se tivéssemos mais memórias, poderíamos utilizar
então o BCD-Decimal, ou ainda o Binário-Hexa.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
91
Apostila de Treinamento
Também existe o decodificador que realiza a operação inversa, isto é, ele possui
uma série de entradas, e dependendo de qual entrada encontra-se com nível alto,
um valor numérico é apresentado em suas saídas. Supondo então um conversor
Decimal-BCD como no exemplo da figura a seguir, se sua entrada I3 está ativa,
então o valor 0011 é disponibilizado nas saídas.
0
0
I9
I8
Q3
Q2
0
0
0
0
0
I7
I6
I5
Q1
Q0
1
1
0
1
0
I4
I3
I2
0
0
I1
I0
Nestes dispositivos, se mais de uma entrada encontra-se ativa, geralmente existe
um critério de priorização, por exemplo, exibe-se na saída o código da menor
entrada ativada.
Como você deve imaginar, se o decodificador BCD-Decimal é útil para um
microprocessador acionar diversos dispositivos, o conversor Decimal-BCD é útil
para ler diversos dispositivos. Por exemplo, se tivermos um circuito em que um
microcontrolador tem de ler 10 teclas, podemos utilizar um conversor Decimal-BCD,
para economizarmos pinos do microcontrolador. Em vez de gastarmos 10 pinos,
lendo cada tecla individualmente, gastaríamos 4 pinos e leríamos o valor da tecla
pressionada.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
92
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos montar um circuito com decodificador BCD-Decimal e, em
seguida, um circuito com decodificador Decimal-BCD.
Exemplo de aplicação:
Decodificadores são muito utilizados na interface entre processadores e
microcontroladores e seus periféricos.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que ligamos cada uma das saídas a um LED do bastidor, e as entradas, a
geradores de nível lógico. Faça diversas combinações de entrada, reproduzindo
valores binários entre 0 e 9, e veja para uma delas, qual saída é ativada. Qual a
relação entre entradas e saídas?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
93
Apostila de Treinamento
4. Agora coloque nas entradas do decodificador, valores entre 10 e 15, o que
ocorre? Por que?
5 Vamos agora utilizar o decodificador Decimal-BCD, para isso faça as ligações
mostradas a seguir.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
94
Apostila de Treinamento
6. Note que como contamos apenas com 10 geradores de nível lógico no bastidor,
as duas entradas mais significativas foram aterradas. Ativando apenas uma única
entrada por vez, descreva o que ocorre com as saídas.
7. Agora ative duas entradas de uma vez, o que ocorre com a saída?
8. Com base nas observações do item anterior, descreva qual seria um possível
problema de utilizar um decodificador deste tipo para a leitura de teclas que são
pressionados por um usuário.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
95
Apostila de Treinamento
Experiência 12: Memória RAM
Objetivo

Montar um circuito com uma memória RAM;

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED40 – Memória RAM

Cabos banana
Introdução
Outro circuito digital de extrema importância, principalmente na construção de
circuitos que realizam algum tratamento de informação, utilizando processadores ou
microcontroladores, é a memória. Nestes circuitos, a memória é utilizada não só
para armazenar os dados a serem processados, e os resultados obtidos, mas
também o próprio programa a ser executado pelo processador ou microcontrolador.
Desde sua origem, duas famílias de memórias têm coexistido, com características
particulares que as fazem adequadas para aplicações diferentes. A primeira família
inicia-se com as memórias ROM (Read Only Memory – Memória Apenas de
Leitura). Estas memórias, como o nome sugere, apenas podiam ser lidas, uma vez
que sua gravação era feita fisicamente durante o processo de fabricação do
semicondutor, e não podia ser mais alterada. Esta memória era utilizada
principalmente para armazenar o programa a ser executado pelo processador ou
microcontrolador, o que conhecemos como firmware. Porém, como podemos
imaginar, uma série de limitações permeava seu uso. Primeiro, porque sua
fabricação apenas era financeiramente viável em grandes volumes, e envolvia um
demorado período de fabricação, o que tornava seu uso impraticável para o
desenvolvimento dos programas (que como sabemos, envolvem inúmeras
operações de alteração do programa, testes do novo programa e novas alterações).
Além disso, a atualização do software de um dispositivo, ou manutenção de uma
memória defeituosa, envolvia a troca do dispositivo; uma tarefa que exige algum
conhecimento técnico para ser realizada, ou seja, a atualização de firmware que
estamos freqüentemente acostumados quando lidamos com celulares, vídeo-
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
96
Apostila de Treinamento
games, roteadores e outros dispositivos microprocessados, não era nada simples.
Tentando contornar parte dessas limitações, outros dispositivos desta família foram
desenvolvidos:

PROM (Programmable Read Only Memory): Também conhecidas como
memórias OTP (One Time Programmable). Estas memórias vinham
apagadas de fábrica, e podiam ser programadas uma única vez, utilizandose um equipamento chamado de Programador de PROM. Este processo de
programação envolvia o uso de tensões elevadas (tipicamente 12Vcc ou
15Vcc), que destruíam fusíveis internos no chip (cada fusível interno
representava um bit) fazendo a gravação da informação. Por essa razão
estas memórias não podiam ser regravadas.

EPROM (Erasable Programmable ROM): Estas memórias possuíam uma
pequena janela localizada na parte superior do componente, que permitiam
que a pastilha fosse exposta a luz ultravioleta. Essa exposição, geralmente
por períodos de 10 ou mais minutos, fazia com que a memória fosse
apagada. Após este processo a memória podia ser gravada, também
utilizando um equipamento próprio, que envolvia a aplicação de tensões
elevadas, e depois a janela desta memória era selada (com uma etiqueta,
por exemplo) para evitar apagamentos acidentais com a exposição a luz do
dia. Embora estas memórias tenham tornado o desenvolvimento de firmware
possível com seu uso, o processo era relativamente lentos, e seqüentes
ciclos de apagamento desgastavam a memória.

EEPROM ou E2PROM (Electrically Erasable Programmable ROM): Esta
memória contém um circuito auxiliar que permite que seu conteúdo seja
apagado eletricamente, ou seja, sem a necessidade de luz ultravioleta. As
primeiras EEPROMs também necessitavam de tensões elevadas para
realizar este apagamento, mas algumas já incluem hoje elevadores de
tensão internos, que reproduzem as tensões necessárias a partir da tensão
de alimentação. O maior problema deste tipo de circuito é que este circuito
auxiliar ocupa espaço significativo na pastilha do chip, o que reduz a
densidade, ou seja, o volume de informação que a memória é capaz de
armazenar. Além disso, o processo de apagamento é relativamente lento, e
geralmente tem de ser realizado byte a byte.

Flash EEPROM : Esta memória é bastante similar ao tipo anterior, com
exceção de que, para melhorar o aproveitamento da pastilha e reduzir os
ciclos de apagamento, foram criados circuitos auxiliares que realizam o
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
97
Apostila de Treinamento
apagamento de toda a memória, ou de bancos dessa memória. Assim,
enquanto a EEPROM podia ser alterada byte a byte, sem comprometer o
resto do conteúdo da memória. A memória flash geralmente permite apagar
apenas seu conteúdo todo, ou bancos (grandes agrupamentos de dados);
em compensação como menos circuitos auxiliares são necessários,
consegue-se densidades muito maiores (memórias NAND Flash atuais
chegam a 32GB), e como o ciclo de apagamento é realizado uma única vez
para um grande volume de dados, o processo de programação é mais
rápido.
A outra família de memórias corresponde as RAMs (Random Access Memories –
Memórias de Acesso Randômico). Elas recebem este nome porque permitem que
qualquer byte em seu interior seja acessado, ao contrário das memórias seqüenciais
(como fitas DAT) em que para acessar o fim da memória, temos de percorrer todo
seu início. De qualquer forma este nome não as distingue bem da família anterior,
pois, a vasta maioria das memórias ROM, também permitia acesso randômico. A
principal característica das memórias RAM, que as diferenciam das memórias ROM,
é a volatilidade. A memória RAM geralmente é capaz de reter a informação gravada
enquanto ela estiver alimentada, após desligada, a informação é perdida. Também
houve abordagens construtivas diferentes na família de memórias RAM:

DRAM (Dynamic RAM): Este é um dos tipos mais simples de memória
RAM, onde cada bit consiste basicamente em um capacitor e um transistor,
sendo que a carga do capacitor determina seu nível lógico. Graças essa
simplicidade esta memória não só é muito rápida, como também permite a
construção de chips com elevada densidade, sendo muito empregadas em
computadores, para a armazenagem de programas em execução e dados
sendo tratados. Porém, como o capacitor eventualmente perde sua carga
após algum tempo, é necessário fazer refresh da memória constantemente,
isto é, recarregar os capacitores que devem estar carregados. Por essa
razão estas memórias recebem o nome de RAM dinâmica. Em geral as
memórias já possuem internamente um circuito adequado para realizar esta
recarga, a partir de um sinal temporizado gerado pelo processador.

SRAM (Static RAM): Este é o tipo mais convencional de memória RAM.
Cada bit da memória consiste em um flip-flop D, e por essa razão seu estado
não é mantido na ausência de alimentação, embora a denominação Static
possa dar esta impressão. Na realidade, essa denominação vem do fato de
que esta memória não necessita de ciclo de refresh para manter seu
conteúdo. Porém, como cada bit é construtivamente mais complexo do que
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
98
Apostila de Treinamento
na memória DRAM, as densidades conseguidas com este tipo de memória
são menores.

NVSRAM (Non-Volatile Static RAM): Consistem basicamente de memórias
SRAM com uma bateria integrada, que mantém o conteúdo da memória na
ausência de alimentação.
Independentemente do tipo, toda memória randômica apresenta 3 tipos de
barramento: endereço, dados, e controle; conforme mostrado na figura a seguir. O
barramento de dados, em memórias que podem ser gravadas, é bidirecional, sendo
que sinais de controle apropriados determinam se a memória deve fornecer o dado
no barramento, ou deve gravar o dado presente neste barramento em seu interior.
Este barramento pode ter tamanhos diferentes, sendo que os tamanhos mais
freqüentes são de 1, 8, 16 ou 32 bits. O barramento de endereços, como o nome
sugere, indica qual área da memória está sendo acessada.
O seu tamanho é
função da capacidade da memória, por exemplo, uma memória de 32K x 8 (32
kilobytes) deverá ter 15 bits de endereços, pois 215=32768, ou 32KB. O barramento
de controle determina que operações devem ser realizadas, em geral neste
barramento encontramos os sinais ̅̅̅̅ (Chip Select, que em zero habilita o chip), ̅̅̅̅
(Output Enable, também pode ser indicado como ̅̅̅̅ - Read, em 0 este sinal
determina que a memória deve fornecer dados ao barramento de dados, e não o
contrário) e ̅̅̅̅̅ (Write, em zero determina que a memória deve armazenar o dado
WR
Barramento Controle
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
Barramento Dados
existente no barramento).
Barramento Endereços
Memória 32K x 8
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
CS
OE
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
99
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos utilizar um circuito digital contendo uma memória RAM,
para armazenar dados que serão inseridos através de geradores de níveis lógicos.
Exemplo de aplicação:
As memórias RAM são dispositivos extremamente comuns em circuitos digitais que
realizam algum tipo de tratamento de informação, sendo periféricos importantes
para microprocessadores e microcontroladores, tanto que muitos destes dispositivos
possuem integrados em sua pastilha uma porção de memória RAM, para
armazenamento rápido dos dados sendo tratados.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que, como dispomos de apenas 8 geradores de níveis lógicos, ligamos 4
deles aos bits menos significativos do barramento de endereços e, os outros 4, aos
bits menos significativos do barramento de dados. Nessa configuração quais
intervalos de endereços poderão ser acessados, e quais dados poderão ser
armazenados?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
100
Apostila de Treinamento
3. Para realizarmos a gravação de um dado na memória, devemos seguir o seguinte
procedimento (na sequencia indicada):

Mantemos o sinal OE em nível alto;

Escolhemos o endereço a ser gravado;

Definimos o dado que será gravado;

Colocamos o sinal CS em nível baixo;

Colocamos o sinal WR em nível baixo;

Retornamos CS e WR para nível alto.
A figura a seguir exibe o trem de pulsos de um ciclo de gravação:
Fonte: Datasheet 62256 – Samsung Electronics
Note que pelo diagrama acima, o dado deve permanecer válido durante as
bordas de subida de WR e CS, de qualquer forma, para evitarmos erros de
gravação, manteremos o dado estático durante todo o ciclo de gravação (que se
inicia com CS transitando para 0, e termina com CS e WR retornando a nível 1).
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
101
Apostila de Treinamento
4. Agora que sabemos como gravar um dado, vamos preencher seus endereços 0-F
com valores de nossa escolha. Registre na tabela abaixo, na coluna “Dado
Gravado”, os valores gravados em cada endereço para referência nos passos
seguintes:
Endereço
Dado Gravado
Binário
Decimal
0000
0
0001
1
0010
2
0011
3
0100
4
0101
5
0110
6
0111
7
1000
8
1001
9
1010
10
1011
11
1100
12
1101
13
1110
14
1111
15
Binário
Decimal
Dado Lido
Binário
Decimal
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
102
Apostila de Treinamento
5. Para que sejamos capazes de ler os dados gravados, temos de ligar o
barramento de dados aos indicadores de nível lógico como mostrado a seguir: É
importante que as ligações sejam feitas com o painel ligado (para que a memória
não perca o conteúdo), e antes de realiza-las certifique-se que CS e WR estão em
nível alto, para evitar gravações acidentais.
6. O procedimento de leitura é bastante simples, para lermos um dado basta seguir
os seguintes passos:

Mantemos o sinal WR em nível alto;

Mantemos CS e OE em nível baixo;

Escolhemos o endereço a ser lido.
OBS: Enquanto CS e OE estiverem em nível alto, o dado estará disponível no
barramento, por isso é importante ter cuidado para não inserir níveis lógicos
quando o barramento está operando como saída.
A figura a seguir exibe o trem de pulsos de um ciclo de gravação:
Fonte: Datasheet 62256 – Samsung Electronics
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
103
Apostila de Treinamento
7. Siga o procedimento de leitura apresentado no item anterior e realize a leitura de
todos os endereços previamente gravados, preenchendo a tabela do item 4. Os
valores lidos correspondem aos valores gravados?
8. Agora desligue o bastidor e o mantenha desligado por alguns segundos. Em
seguida repita a leitura de cada um dos endereços. Os valores continuam
preservados? Explique o por que.
9. Com base nas observações do item anterior, tem explicar por que a memória
RAM é tão utilizada apesar da volatilidade? Não seria melhor empregar memórias
Flash EPROM ou E2PROM em seu lugar?
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
104
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
105
Apostila de Treinamento
Experiência 13: Conversor D/A
Objetivo

Montar um circuito com um conversor D/A do tipo R-2R

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED25 – Conversor D/A

Multímetro e cabos banana
Introdução
Até este ponto de nosso estudo da eletrônica digital, vimos uma vastidão circuitos
que realizam uma série de operações, todas elas em âmbito digital. Isto é, onde
cada sinal pode apresentar dois níveis lógicos distintos (0 ou 1), representados por
valores de tensão específicos (conforme vimos nos primeiros ensaios), e que
geralmente são convencionados como 0V e 5V, respectivamente. Muito embora, em
âmbito digital possamos realizar uma grande gama de operações de cunho
aritmético e lógico – o que forma a base do processamento de dados, muitas vezes
desejamos que os resultados destas operações fossem levados ao mundo
analógico.
Um exemplo imediato é som. Atualmente, com os avanços dos filtros digitais, novos
padrões para a codificação e compressão de som (como o MP3), além da difusão
das comunicações digitais (com transmissão de voz em meios intrinsecamente
digitais), o som é geralmente tratado, armazenado e transmitido em formato digital.
Porém, para que ele seja reproduzido é necessário que ele volte ao formato
analógico. Para isso são empregados os Conversores Digitais–Analógicos,
abreviados como Conversores D/A, que utilizaremos neste experimento.
A conversão D/A é um processo que consiste em transformar um valor numérico,
representado por um conjunto de bits, em um valor de tensão pré-determinado.
Geralmente ele é representado por um bloco como o mostrado abaixo:
D0
D1
D2
Conversor D/A
4 bits
Saída
D3
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
106
Apostila de Treinamento
Obviamente, se esta conversão utiliza como operando de entrada um determinado
valor numérico, então a forma como este valor é representado pelos bits é
relevante. Ou seja, um conversor D/A que possui entrada BCD, é diferente de um
conversor D/A que apresenta a entrada em código Gray, que por sua vez, é
diferente de um conversor D/A que possui entrada em formato binário. Como vimos
em ensaios anteriores, os mesmos conjuntos de bits representam valores numéricos
diferentes em cada um destes padrões. Por sorte, a vasta maioria dos conversores
D/A
existentes
trabalham
com
entradas
em
formato
binário,
então
a
incompatibilidade dos padrões não chega a ser um problema no dia a dia.
Embora estes conversores D/A trabalhem com entradas em padrão binário, não
significa que uma entrada 0001b, correspondente ao decimal 1, produz uma saída
de 1V, e que uma entrada 0010b, correspondendo ao decimal 2, leva a uma saída
de 2V. Isso porque existe um fator de escala, ou seja, a saída de um conversor D/A
é sempre proporcional a valor numérico da entrada, mas não necessariamente o
mesmo valor em volts.
O valor na saída de um conversor D/A geralmente é
calculado a partir da tensão de referência, que é justamente o maior valor de tensão
que pode haver na saída do conversor e que muitas vezes corresponde à própria
tensão de alimentação do conversor. A fórmula é bastante simples:
Assim por exemplo um conversor D/A de 4 bits, alimentado com 5V, e cuja entrada
está com o valor 0010b, terá o seguinte valor de saída:
Note que o denominador da fórmula (2Num.Bits), corresponde justamente ao valor
máximo que pode ser inserido na entrada, em outras palavras, a saída é sempre
uma fração da tensão de referência. Calculando a saída deste conversor para o
próximo valor de entrada (0011b) temos:
Este incremento no valor da saída, quando passamos de um valor numérico para
seu sucessor é conhecido como degrau da Conversão D/A. No nosso caso o degrau
é de 0,3125V. Note que é impossível obtermos na saída um valor de tensão entre
0,625V e 0,9375V, por esta razão, é desejável que o um conversor D/A tenha o
menor
degrau possível,
para que mais valores
analógicos possam
ser
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
107
Apostila de Treinamento
representados. Por exemplo, se desejamos ter uma saída de 0,8V, teríamos de
aproximar para 0,625 ou 0,9375V (provavelmente o primeiro, pois é mais próximo).
Para diminuir o degrau de um conversor D/A é necessário aumentar sua resolução,
isto é, o numero de bits de entrada. Veja na figura abaixo a comparação entre dois
conversores, de 4bits e 8bits, ambos alimentados com 5V. Veja como em 8 bits o
valor do degrau é sensivelmente inferior ao valor do degrau do conversor de 4bits.
6
Valor da Saída (V)
5
4
3
Saida Conv. 4Bits
2
Saida Conv. 8Bits
1
1
12
23
34
45
56
67
78
89
100
111
122
133
144
155
166
177
188
199
210
221
232
243
254
0
Valor da Entrada
Porém, a informação nem sempre se encontra com uma maior quantidade de bits e,
além disso, quanto maior a resolução, mais complexo o conversor. A figura a seguir,
mostra o diagrama de um circuito muito empregado para realizar a conversão
digital-analógica, a malha R-2R, o qual será estudado neste ensaio. Este circuito
recebe este nome, pois é construído com resistores de valores R (um valor qualquer
arbitrário, preferencialmente da ordem de alguns milhares de ohms) e seu dobro,
2R.
É relativamente simples demonstrar que a saída é dada por (faça como exercício):
Considerando-se que cada tensão pode assumir apenas um de dois valores de
tensão possíveis (0V ou Vref), então esta fórmula é equivalente a fórmula que vimos
anteriormente. Faça o teste, para uma determinada combinação binária.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
108
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos utilizar um conversor D/A, construído com malha R-2R,
para converter valores digitais em analógico.
Exemplo de aplicação:
Os conversores D/A estão presentes sempre que um circuito digital deve possui
alguma interface com o mundo analógico, como ocorre em placas de som,
tocadores de MP3, celulares, etc., para converter o áudio, geralmente armazenado
e transmitido em formato digital, em valores analógicos reproduzidos pelo altofalante.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que ligamos a entrada do nosso conversor D/A aos geradores de nível
lógico. Além disso, perceba que o circuito é um pouco diferente daquele mostrado
na introdução teórica, isto porque ele possui um amplificador operacional na saída.
Porém, a função deste amplificador é atuar apenas como buffer de corrente,
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
109
Apostila de Treinamento
reproduzindo o valor de tensão na entrada não-inversora, na saída do circuito
(consulte sua apostila de eletrônica analógica para maiores detalhes).
3. Com auxílio de um multímetro, vamos medir o valor da tensão de saída, para
alguns valores de entrada, conforme a tabela a seguir:
Entrada Dec.
Entrada Bin.
Tensão na Saída
0
1
4
8
16
32
64
128
129
132
136
144
160
192
193
200
208
216
232
255
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
110
Apostila de Treinamento
4. Com os dados levantados no item anterior, plote um gráfico da tensão de saída
em função dos valores na entrada:
5. Qual o valor do coeficiente angular do gráfico levantado no item anterior? Ao que
ele corresponde?
6. A partir de suas observações nesta experiência, esboce como seria possível
construir um gerador de rampa utilizando um conversor D/A:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
111
Apostila de Treinamento
7. Cite algumas aplicações em que o conversor D/A poderia ser utilizado em
conjunto com outros dispositivos que aprendemos ao longo do curso:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
112
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
113
Apostila de Treinamento
Experiência 14: Conversor A/D
Objetivo

Montar um circuito com um conversor A/D

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED45 – Conversor A/D

Multímetro

Cabos banana
Introdução
No ensaio anterior estudamos um determinado tipo de circuito capaz de converter
um conjunto de bits, representando um valor numérico, em um valor de tensão.
Durante este ensaio, você provavelmente deve ter se perguntado se é possível
realizar o processo inverso, isto é, se é possível transformarmos um determinado
nível de tensão, em um valor numérico representado por um conjunto de bits. A
resposta como você deve imaginar é sim, e esta tarefa é realizada pelo conversor
A/D, abreviação de conversor Analógico-Digital.
Assim como o conversor D/A, o conversor A/D desempenha papel importante
permitindo que os circuitos digitais possam receber informações oriundas de
dispositivos analógicos, como sensores e transdutores. Retomando então o
exemplo do som, podemos digitalizar o sinal oriundo de um microfone (que é um
transdutor que converte energia mecânica em elétrica), para que este seja tratado,
armazenado ou transmitido em meios intrinsicamente digitais.
Assim como no caso da conversão digital-analógica, o formato com que os valores
numéricos serão representados através de sinais digitais é relevante e,
analogamente aos D/As, a vasta maioria de conversores A/D também trabalha com
o formato binário.
A resolução também é outra característica de extrema importância para o conversor
A/D, afinal como vimos no ensaio anterior, a resolução afeta diretamente o degrau
do conversor e, por conseguinte, a precisão da conversão. Por exemplo, um
conversor A/D de 4bits, com tensão de referência de 5V (que equivale ao maior
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
114
Apostila de Treinamento
valor de tensão que pode ser aplicado à sua entrada), terá um degrau equivalente a
5÷24=0,3125. Um conversor A/D de 8bits, utilizando a mesma tensão de referência,
teria um degrau igual 5÷28=0,01953, 16 vezes menor. Mas na prática o que isto
significa? Vejamos como os conversores se comportariam quando a eles fossem
aplicados um sinal de 0,1V (assumindo que eles converteriam para o valor binário
mais próximo)
- Conversor de 4bits: 0,1V -> 0000b
Erro = Valor Real – Comb.Binária x Degrau
Erro = 0,1V – 0 x 0,3125 = 0,1V
- Conversor de 8bits: 0,1V -> 0000 0101b
Erro = Valor Real – Comb.Binária x Degrau
Erro = 0,1V – 5 x 0,01953 = 0,00234V
Este erro calculado acima é conhecido como erro de quantização, que consiste no
erro introduzido pela conversão analógica-digital pela aproximação do valor real, ao
valor numérico mais próximo disponível. Percebemos claramente acima, que o
conversor A/D de 8bits, possui menor erro de quantização.
Existem algumas topologias que podem ser empregadas na construção de um
conversor A/D. As mais comuns são o conversor A/D por rampa (cujo diagrama
interno é mostrado abaixo), o conversor de aproximações sucessivas (abreviado
para SAR – Successive Approximation Register), o conversor flash e o Delta-sigma.
Abordaremos aqui o primeiro tipo, já que não é o objetivo desta apostila esgotar
toda a teoria, mas caso tenha interesse pesquise os demais circuitos em livros ou
mesmo na internet.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
115
Apostila de Treinamento
O conversor A/D do tipo rampa, mostrado na figura acima trabalha da seguinte
maneira: dado que um determinado valor analógico é aplicado a sua entrada, um
contador inicia sua contagem, sendo que suas saídas estão ligadas a um conversor
D/A. O resultado é que temos, na saída deste conversor D/A, uma rampa crescente
de tensão (veja a experiência anterior, como foi construído um gerador de rampa).
Esta rampa é comparada ao valor analógico de entrada, quando o valor de tensão
da rampa é imediatamente acima do valor de entrada, um pulso é enviado a um
latch, que armazena o estado atual das saídas do contador, sendo este justamente
o resultado da conversão. Perceba que nesta conversão, a aproximação é feita
sempre para a sequência binária imediatamente acima, e não para a sequência
mais próxima, como tínhamos suposto no nosso exemplo anterior (refaça o exemplo
anterior, supondo esta condição, e veja os impactos nos erros de quantização).
A aproximação sempre para valores superiores é uma das críticas a este circuito.
Outra é o tempo variável que uma conversão demora. Se o valor analógico de
entrada for pequeno, a rampa logo o supera e a conversão termina. Por outro lado,
se ele for próximo a Vref, a conversão demorará mais, já que a rampa atingirá este
valor, apenas próximo do fim da contagem. Estas limitações levaram ao surgimento
de outras arquiteturas, como aquela utilizada pelo conversor que estudaremos neste
ensaio, a conversão por aproximações sucessivas.
A simbologia do conversor A/D é muito semelhante a do conversor D/A, como pode
ser visto abaixo. Porém, como a conversão A/D envolve uma série de
procedimentos, é muito comum que os conversores tenham dois sinais de controle o
SOC (Start of Conversion), de entrada, que sinaliza que um novo valor analógico foi
inserido para ser convertido; e o EOC (End of Conversion), de saída, indicando a
circuitos externos que a conversão já foi concluída.
SOC
EOC
D0
Entrada
Conversor A/D
4 bits
D1
D2
D3
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
116
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos utilizar um conversor A/D, baseado em um circuito
integrado bastante difundido, o ADC0809.
Exemplo de aplicação:
Os conversores A/D são elementos essenciais na interface com o mundo analógico,
permitindo que valores oriundos de sensores e transdutores, sejam digitalizados,
para que possam ser tratados, armazenados ou transmitidos em meios digitais.
Assim, podem ser encontrados em aparelhos celulares, placas de captura de som
ou vídeo, controladores lógicos programáveis, entre outros.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que ligamos a entrada E0 do nosso conversor A/D ao centro de
potenciômetro que apresenta suas extremidades ligadas a 5V e GND. Assim,
poderemos variar o valor da tensão aplicada na entrada, sempre respeitando o
limite máximo de 5V, já que Vref+ e Vref- estão ligadas em 5V e GND,
respectivamente. Por último veja que ligamos os sinais de controle a geradores de
nível lógico, para que possamos controlá-los
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
117
Apostila de Treinamento
3. Antes de alimentar o bastidor, certifique-se de que todos os sinais de controle
(principalmente OE) estão em nível baixo, em caso contrário o Conversor A/D pode
ficar travado. Se isto ocorrer, desligue o painel, coloque os sinais de controle em
nível baixo e religue.
4. Para realizar a conversão é necessário seguir os seguintes procedimentos, na
ordem indicada:






Escolha o endereço da entrada analógica a ser convertida, sendo que ADDC
é o bit mais significativo e ADD A, o menos significativo;
Coloque o sinal ALE (Address Latch Enable) em nível alto, para que o novo
endereço seja lido;
Coloque o sinal de Start em nível alto, para que a conversão inicie.
Retorne os dois sinais para nível baixo.
Note que a realização foi concluída quase instantaneamente (sinal EOC foi
para nível baixo e retornou a nível alto, indicando a conclusão – a conclusão
será tão mais rápida quanto maior for o clock, neste caso estamos
trabalhando com o clock ligado ao gerador de 10kHz);
Coloque OE em nível alto para que o novo valor seja disponibilizado nas
saídas.
A figura a seguir exibe a carta de tempo deste processo:
Fonte: Datasheet ADC0809 – National Semiconductor
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
118
Apostila de Treinamento
5. Com o auxílio de um multímetro, ajuste a tensão na entrada analógica para os
valores mostrados na tabela a seguir e registre o valor obtido da conversão.
Entrada Analógica
Saída Bin.
Saída Dec.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
6. Este nosso conversor também pode funcionar em modo on-line, realizando
conversões sucessivas. Para isto interconecte a saída EOC à entrada Start e
mantenha o sinal OE sempre alto. Varie a tensão analógica e note que a nova
conversão é feita automaticamente.
7. Cite aplicações em que cada um dos modos, on-line (conversões contínuas) e
stand-by (conversão solicitada pelo usuário) são mais indicados.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
119
Apostila de Treinamento
8. Como os bits significativos se comportam? Eles assumem valores estáticos ou
variam bastante? Explique o por que.
9. De acordo com sua resposta do item anterior, explique como isto pode afetar a
conversão, e como isso pode ser corrigido.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
120
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
121
Apostila de Treinamento
Experiência 15: Multiplexadores e Demultiplexadores
Objetivo

Montar um circuito com Mux e Demux

Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito.
Material utilizado

Bastidor LEG2000

Módulo MED10 – Conversor A/D

Multímetro

Cabos banana
Introdução
No ensaio anterior trabalhamos com um conversor A/D que possuía 8 entradas
analógicas, será que este conversor consistia na realidade de 8 conversores A/D de
1 canal, cada um ligado a uma entrada? A resposta é não, a menos que a fabricante
do chip não estivesse preocupada com custos, o que não é uma verdade. Aquele
conversor A/D que utilizamos continha internamente um único conversor A/D de 1
canal, ligado a um multiplexador de 8 canais.
O multiplexador, ou simplesmente mux, é um circuito eletrônico (que pode ser
analógico ou digital) que apresenta um determinado número de entradas e uma
única saída. Ele funciona como uma chave seletora, permitindo conectar uma de
suas entradas a sua saída. A figura a seguir mostra um diagrama funcional de um
mux de 5 canais:
O funcionamento é bastante simples, dependendo do valor presente nos sinais de
seleção (S0 a S2) uma determinada entrada é conectada à saída.
Obviamente, o número de sinais de seleção é determinado pelo número de entradas
existentes. No exemplo anterior, tínhamos um mux com 5 canais e três sinais de
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
122
Apostila de Treinamento
seleção, mas note que se houvessem apenas 4 entradas, apenas dois sinais seriam
necessários (22 = 4).
Como dissemos, os multiplexadores podem ser digitais ou analógicos. Os
multiplexadores digitais são construídos com portas lógicas e, tanto sua entrada
como saída, apenas podem assumir dois valores de tensão, representando os
níveis lógicos 0 e 1. A figura a seguir mostra um multiplexador digital de dois canais:
E0
Saída
E1
S
Já os multiplexadores analógicos são construídos com transistores MOS-FET e
podem operar com qualquer sinal analógico que esteja entre Vcc (tensão de
alimentação do multiplexador) e GND.
O circuito que realiza a função inversa é conhecido como demultiplexador, ou
simplesmente demux. Ele possui apenas uma entrada e duas ou mais saídas,
interligando esta entrada comum a uma das saídas, de acordo com o sinal de
seleção.
Enquanto um demux digital apresenta um circuito digital diferente do mux digital, o
mesmo não ocorre par ao mux/demux analógicos. Como estes dispositivos atuam
como chaves que permitem ou não a condução de sinais em seu interior, o mesmo
dispositivo pode atuar como mux ou como demux, dependendo apenas do sentido
do sinal que circula por ele.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
123
Apostila de Treinamento
Procedimento
Nesta experiência iremos construir um circuito com um multiplexador e um
demultiplexador.
Exemplo de aplicação:
Os mux e demux podem ser utilizados onde quer que o chaveamento de múltiplos
pontos para um ponto único seja necessário, como por exemplo, em PABX (ligando
vários ramais a uma única linha externa), em conversores A/D e D/A, para permitir
que um mesmo circuito de conversão seja utilizado para várias entradas/saídas,
entre outros.
1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações
no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir:
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
2. Note que ligamos as duas últimas entradas a geradores de nível lógico e a
primeira entrada ao centro do potenciômetro de 1K, cujas extremidades estão
ligadas em 5V e GND. Assim teremos tanto sinais digitais quanto analógicos
(obtidos por ajuste do potenciômetro) transitando por nosso mux.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
124
Apostila de Treinamento
3. Conecte um multímetro à saída do multiplexador e coloque todos os sinais de
seleção, assim como o sinal INH, em nível baixo. Varie a posição do potenciômetro
e descreva o que você observa no multímetro:
4. Altere o estado lógico dos geradores conectados às últimas entradas do mux. O
que ocorre?
5. Agora coloque o sinal INH em nível alto, o que ocorre? Para que serve este sinal?
6. Vamos tornar esta experiência mais interessante, ligando mux e demux conforme
mostrado a seguir:
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
125
Apostila de Treinamento
Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático
desligado.
7. Note que os sinais de seleção e INH do mux e demux estão interligados, ou seja,
a seleção feita para o mux, também valerá para o demux. Pois bem, conecte um
multímetro a primeira saída do demux e, em seguida, varie os sinais de seleção
como na tabela abaixo, preenchendo o estado dos LEDs e multímetro a cada
seleção.
Seleção
LEDs
Multímetro
000
001
010
011
100
101
110
111
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
126
Apostila de Treinamento
8. Indique agora para cada seleção, qual o sentido do fluxo do sinal:
Seleção
Fluxo de sinal
000
001
010
011
100
101
110
111
9. De acordo com suas observações acima, o que você pode concluir? É possível
fazer a distinção entre mux e demux?
9. Uma forma de aproveitar melhor o meio físico, transmitindo-se vários sinais pelo
mesmo meio é conseguida através da multiplexação TDM. Pesquise como ela
funciona e descreva abaixo de maneira sucinta.
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
127
Apostila de Treinamento
CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL
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