Manual de Laboratório

Sistemas Digitais
Manual de Laboratório
UAC – DM – Fernando Henriques
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I - Introdução
Os Sistemas Digitais são constituídos por uma combinação de dispositivos que manipulam
informação representada por dígitos. Na maioria das vezes a informação é representada
internamente por sinais eléctricos binários. Estes sinais assumem apenas dois valores de tensão
que correspondem aos valores lógicos 0 e 1 (ex: 0 V Æ 0 e +5 V Æ 1). O computador digital é um
sistema digital binário, uma vez que toda a informação é nele representada através dos dígitos
binários.
As aulas práticas da disciplina de Sistemas Digitais destinam-se a familiarizar os alunos com os
equipamentos básicos de implementação de circuitos digitais e a aprofundar os conhecimentos
adquiridos nas aulas teóricas através da sua aplicação prática no projecto e montagem de
circuitos lógicos digitais.
Pretende-se, com este documento, informar os alunos sobre as normas de funcionamento do
laboratório, e dar a conhecer os componentes base utilizados em sistemas digitais, algumas
noções sobre a montagem de circuitos digitais em placas de ensaio e os principais aparelhos
utilizados no seu teste.
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II - Normas de Funcionamento do Laboratório
Para o aluno ser admitido numa aula de laboratório, tem de estar inscrito na mesma.
O laboratório funciona com um número máximo de 6 grupos constituídos por 2 alunos.
Haverá registo de presenças nas aulas de laboratório. Os alunos poderão dar um máximo de três
faltas.
Para a implementação dos circuitos digitais propostos, cada grupo terá ao seu cuidado um
conjunto de ferramentas, material e equipamento de apoio:
• módulo de teste
• ponta de prova lógica
• placa de montagem
• alicate de pontas
• alicate desnudador
• pinça para extracção de circuitos integrados
• conjunto de condutores com 0,5 mm de diâmetro
Poderão ainda, eventualmente, utilizar o seguinte equipamento:
• multímetro digital
Será atribuído um conjunto de componentes electrónicos a cada grupo no início das aulas
práticas.
A responsabilidade pela boa conservação do equipamento e dos componentes deverá ser
assumida solidariamente por todos os membros do grupo.
De modo a permitir que os trabalhos sejam concluídos dentro do tempo previsto, os grupos
deverão preparar os mesmos antes de iniciarem a montagem do circuito.
Antes de realizar a montagem de circuitos digitais cada grupo deverá consultar os catálogos dos
circuitos integrados a utilizar e, posteriormente, ter o máximo cuidado ao efectuar as respectivas
ligações, de modo a evitar perdas de tempo na detecção de eventuais erros de montagem e a não
danificar circuitos integrados.
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III – Componentes, material e instruções para montagem
1 - Circuitos integrados
Os circuitos integrados (CI’s ou IC’s – “Integrated Circuits”) são circuitos electrónicos funcionais,
constituídos internamente por transístores e outros componentes interligados, capazes de
desempenhar diversas funções. Os elementos que constituem os circuitos são criados
essencialmente na massa e à superfície de um material semicondutor (silício impuro) com
dimensões extremamente reduzidas, formando um todo indissociável.
Os CI’s podem ser encontrados no mercado com diversas formas e tamanhos. Nas aulas práticas
serão utilizados os chamados DIPs (Dual-Inline Packages), que correspondem a circuitos
integrados com embalagens “dual-in-line”, ou seja, que possuem duas filas de pinos alinhados.
Os CI’s devem ser montados de acordo com a numeração dos seus pinos, a qual não está
gravada no encapsulamento. No entanto, os CI’s possuem marcas, sob a forma de um entalhe ou
de um cavado circular, que indicam o pino número 1. Posicionando o CI com a marca para a
esquerda, o pino 1 é o que se encontra abaixo da marca, estando a restante numeração definida
conforme se indica na figura.
Cada CI possui dois pinos para ligação à alimentação: um pino para ligação ao pólo positivo da
alimentação e outro ao pólo negativo. O primeiro é identificado, geralmente, com a mnemónica
GND (abreviatura de “ground” – corresponde à ligação à massa, ou seja, aos 0 V) e o segundo
com a mnemónica Vcc (V de “voltage” e c de colector – corresponde ao pólo positivo da
alimentação - nos circuitos TTL os colectores de vários transístores estão ligados ao pólo positivo
da alimentação). Na grande maioria dos CI’s TTL, o pino N/2 corresponde ao GND e o pino N ao
Vcc. A tensão de alimentação dos CI’s TTL é nominalmente de 5 V: Vcc corresponde a +5V e
GND a 0V.
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2 - Placa de montagem (“breadboard”)
Os circuitos serão montados com ligações não permanentes em placas próprias para o efeito, que
são usualmente denominadas de: placas de ensaio, placas de teste, placas de montagem ou
“breadboards”. Esta placas são constituídas por alvéolos agrupados de acordo com as
interligações existentes no interior da placa.
A placa de montagem é um dos suportes mais utilizados na implementação e teste de protótipos
em laboratório.
Podem-se distinguir as seguintes áreas na placa de montagem:
- a zona central, constituída por uma matriz de alvéolos identificáveis por linhas numeradas de 1 a
28 e colunas rotuladas de “A” a “L”, e sulcos centrais a separar grupos de 6 alvéolos, que é
utilizada para a montagem dos componentes que compõem o circuito e suas interligações
(os sulcos localizam-se nas zonas reservadas para a colocação de CI’s, e foram criados para
facilitar a sua extracção);
- as bandas laterais, constituídas por duas faixas de alvéolos, delimitadas por traços pretos e
vermelhos (que assinalam as ligações internas), que são normalmente utilizadas para realizar as
ligações de alimentação dos CI’s que compõem o circuito
(as faixas junto aos traços vermelhos são normalmente ligadas ao Vcc (+5V) e as faixas junto
aos traços pretos ao GND);
- a faixa inferior, constituída por uma matriz de alvéolos identificáveis por linhas rotuladas de “a” a
“f” e colunas numeradas de 1 a 30, é uma área extra da placa de montagem do módulo de teste
IDL-800, que é normalmente utilizada para facilitar o estabelecimento de ligações entre alvéolos
da zona central que se encontrem mais distantes e para simplificar as ligações aos sinais de
entrada do circuito.
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Na placa de montagem do módulo de teste há quatro
tipos de interligação de alvéolos:
- os 24 alvéolos junto aos traços pretos encontram-se
interligados;
- os 12 alvéolos junto aos traços vermelhos encontramse interligados;
- as linhas numeradas de 1 a 28 são compostas por
diversos grupos de 6 alvéolos (A-F e G-L) interligados
entre si e separados por sulcos;
- as colunas numeradas de 1 a 30 são compostas por
grupos de 6 alvéolos (a-f) interligados entre si.
3 - Técnicas de montagem
Na realização da montagem do circuito dever-se-á ter em consideração que:
- os fios condutores a utilizar para realizar as ligações (fios unifilares com 0,5mm de diâmetro)
deverão ser descarnados num comprimento aproximado de 0,5cm em cada extremidade;
- não deverão ser estabelecidas ligações com condutores demasiado curtos ou com pontas
tortas;
- a montagem do circuito (inserção dos CI’s e dos fios condutores) deverá ser sempre realizada
com a alimentação desligada;
- os CI’s deverão ser inseridos sobre os sulcos verticais localizados na zona central da placa de
montagem;
- por uma questão de uniformidade, e para evitar erros nas ligações, deve-se inserir todos os CI’s
com a mesma orientação (por ex.: com pino 1 para cima);
- deverá efectuar-se, em primeiro lugar, as ligações de Vcc e GND de todos os CI’s, para prevenir
erros nestas ligações, uma vez que os mesmos poderão danificar os CI’s;
- deverá recorrer-se aos conjuntos horizontais de alvéolos existentes nas zonas superior e inferior
da placa de montagem para se estabelecer a alimentação dos CI’s, ou seja, para se realizar as
ligações de Vcc e GND;
- nas ligações aos pinos dos CI´s, deverá começar-se a ocupar os alvéolos mais afastados,
permitindo, deste modo, uma melhor identificação dos pinos e, posteriormente, um mais fácil
acesso ao CI’s;
- os fios não deverão passar por cima dos CI’s, para que estes possam ser facilmente
substituídos por suspeita de avaria.
4 - Extracção de CI’s da placa de montagem
A extracção de CI’s da placa de montagem deverá ser realizada com o recurso a pinças
concebidas para o efeito, uma vez que ao tentar-se extrair CI’s da placa de montagem de outra
forma é provável entortar-se alguns dos seus pinos que acabarão eventualmente por partir.
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IV - Módulo de teste
(marca Digital Lab - modelo IDL-800)
1
2
9
8
3
7
4
6
5
O módulo de teste IDL-800 compreende
a) diversos painéis compostos por:
123456789-
gerador de funções
voltímetro digital
fonte de alimentação
comutadores de funções
botões de pressão
comutadores de sinal
adaptadores para conexões
indicadores de estado lógico
conversor código BCD – código de 7 segmentos
b) placa de montagem extraível
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1 - Gerador de funções (fonte de sinal)
O gerador de funções gera ondas eléctricas (sinais) com formas sinusoidais, triangulares ou
quadradas, de amplitude e frequência variáveis.
- potenciómetro esquerdo: permite regular a amplitude do sinal (Vpp – valor pico-a-pico)
ondas quadradas e sinusoidais: 0V a 8V ; ondas triangulares: 0V a 6V
- potenciómetro direito e o comutador rotativo esquerdo: permitem regular a frequência do sinal (o
valor da frequência obtido corresponde ao resultado do produto do valor da escala do
potenciómetro pelo factor multiplicativo do comutador rotativo Æ 1Hz - 100kHz)
- comutador rotativo direito: permite regular a forma de onda (sinusoidal, triangular ou quadrada)
Os potenciómetros proporcionam uma regulação contínua do valor.
Os comutadores rotativos proporcionam uma regulação por escalões.
2 - Voltímetro digital (equipamento de medida)
O voltímetro digital permite medir tensões (diferenças de potencial) entre os seus terminais + e –
de 0V a 200V.
Possui um comutador rotativo para regular a precisão da leitura de acordo com os valores de
tensão a medir, que desloca o separador numérico no mostrador digital de acordo com a gama de
valores de tensão seleccionada. Este comutador permite aumentar a precisão nas leituras de
valores de diferenças de potencial mais reduzidos.
3 - Fonte de alimentação
A fonte de alimentação gera tensões contínuas de valor fixo ou regulável.
Fontes fixas de tensão contínua:
Nas zonas superior e inferior encontram-se os pontos de ligação a fontes fixas de tensão de +5V
(+5±0,25V) e a ligações à terra GND (0V) para a alimentação de CI’s TTL.
No centro encontram-se os pontos de ligação a uma fonte fixa de tensão de -5V (-5±0,25V) e a
uma ligação à terra GND (0V).
As fontes fixas de tensão possuem uma limitação máxima de corrente de saída a 1A.
Fontes reguláveis de tensão contínua:
As duas fontes reguláveis de tensão, localizadas entre as fontes fixas de tensão, proporcionam
uma gama completa e contínua de tensões entre os -15V e os 15V:
- fonte de tensão superior: 0V a +15V
- fonte de tensão inferior: 0V a -15V
A regulação da tensão é realizada com o auxílio de dois potenciómetros, que permitem realizar
uma regulação contínua do seu valor.
As fontes reguláveis de tensão possuem uma limitação máxima de corrente de saída a 3A.
4 - Comutadores de funções
Os dois comutadores de 3 posições permitem gerar funções através da comutação dos valores
dos sinais de tensão entre -5V, 0V e 5V.
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5 - Botões de pressão
Os dois botões de pressão permitem introduzir manualmente impulsos num circuito digital, pelo
que serão utilizados como sinais de entrada do circuito, em particular como sinais de relógio.
Os sinais complementares A’ e B’ são obtidos a partir dos sinais A e B através de inversores dos
circuitos integrados CMOS 7414.
Os valores lógicos 0 e 1, que correspondem aos níveis de tensão 0V e +5V, são obtidos da
seguinte forma:
- botão solto
- botão premido
Æ A=0 ; A’=1 (B=0 ; B’=1)
Æ A=1 ; A’=0 (B=1 ; B’=0)
6 - Comutadores de sinal
Os oito comutadores de 2 posições permitem gerar sinais para um circuito digital, através da
comutação entre os valores lógicos 0 e 1.
Os valores lógicos 0 e 1 correspondem a valores de tensão de 0V e +5V, respectivamente.
7 - Adaptadores para conexões
Permitem a ligação ao módulo de sinais gerados por fontes externas, através de fichas do tipo
banana e/ou BNC.
8 - Indicadores de estado lógico
Os oito indicadores de estado lógico, realizados através de LED’s (LED - “Light Emitting Diode” díodo emissor de luz), permitem observar o valor de oito sinais ao mesmo tempo, que podem
corresponder a saídas ou a pontos intermédios do circuito.
Os LED’s estão ligados na configuração de ânodo comum (os ânodos dos LED’s estão
interligados no mesmo ponto, estando este ligado a +5V). No entanto, devido aos inversores
introduzidos entre os pontos de ligação e os LED’s através de circuitos integrados CMOS 4049,
estes acendem quando é aplicado um valor lógico 1 (+5V).
9 - Conversor código BCD - código de 7 segmentos
Este conversor permite apresentar nos visores de 7 segmentos, em representação decimal, o
valor introduzido nas suas entradas (A-D) em código BCD (BCD - “Binary Coded Decimal”).
A conversão é realizada por um circuito integrado CMOS 4511 “DBC-to-7Segment
Latch/Decoder/Driver”.
Os visores de 7 segmentos são activados através da ligação dos contactos D1 e/ou D2 ao GND.
Os LED’s dos visores de 7 segmentos estão ligados na configuração de cátodo comum (os
cátodos dos LED’s estão interligados no mesmo ponto, sendo este ligado a 0V), pelo que os
segmentos acendem quando são aplicados valores lógicos 1 (+5V).
O ponto decimal acende quando se aplica ao contacto P o valor lógico 1 (+5V).
Entre o CI 4511 e os visores de 7 segmentos, encontra-se um DIP-Switch (“Dual-Inline Package
Switch”) de 8 bits, ou seja, um dispositivo com 8 interruptores alinhados, que permite inibir
individualmente o funcionamento dos 8 LEDs (7 segmentos + ponto decimal) dos visores.
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BCD
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7 segmentos
D C B A a b c d e f
Visor
g
0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0
0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0
0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1
0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1
0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1
0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0
1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1
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(decimal)
0
i
2
3
4
5
6
7
8
9
9
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V - Ponta de prova lógica e gerador de impulsos lógico
A ponta de prova lógica é um instrumento pequeno e prático para a análise de circuitos digitais
de baixa complexidade. Este aparelho permite observar o nível presente num nó de um circuito.
O gerador de impulsos lógico é um instrumento de precisão eficaz na detecção e correcção de
defeitos em circuitos lógicos. Este aparelho permite impor instantaneamente um determinado nível
num nó de um circuito.
1 - Ponta de prova lógica e gerador de impulsos lógicos GLP-1A
(marca GoodWill - modelo LP-900):
Este aparelho permite verificar o estado lógico de diferentes pontos do circuito e injectar impulsos
de duração fixa.
Ponta de prova lógica:
A garra vermelha deve ser ligada a Vcc (Vcc=5V em circuitos TTL ; Vcc=4~18V em circuitos
CMOS) e a garra preta a GND ( 0V ).
O LED “HI” (vermelho) acende para o valor lógico 1 (nível “alto”).
O LED “LO” (verde) acende para o valor lógico 0 (nível “baixo”).
Ambos os LED’s acendem para ondas quadradas e impulsos muito curtos.
Ambos os LED’s apagam para impedância elevadas.
O LED “PULSE” (amarelo) acusa transições no sinal de “0” para “1” e de “1” para “0” (detecta
impulsos até 10ns de duração).
As gamas de tensão que representam os valores lógicos diferem para as famílias lógicas TTL e
CMOS, pelo que os valores lógicos são identificados por esta ponta de prova lógica de acordo
com a família lógica (identificada pelo valor da tensão de alimentação do circuito) e com o valor da
tensão aplicada na ponta de sinal:
Família
Valor lógico 1 (nível “alto”)
( LED “HI” aceso - LED vermelho aceso)
Valor lógico 0 (nível “baixo”)
( LED “LO” aceso - LED verde aceso)
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TTL
CMOS
(Vcc=5V)
(Vcc=4~18V)
> 3 ± 0,25 V
> 60% Vcc ± 5%
(60% 5V ± 5% 5V)
< 0,75 ± 0,25 V
(15% 5V ± 5% 5V)
< 15% Vcc ± 5% (Vcc=4-7V )
< 40% Vcc ± 5% (Vcc=7-18V)
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Gerador de impulsos lógico:
O gerador de impulsos lógico permite injectar impulsos directamente num circuito lógico, sem ser
necessário remover CI’s ou interromper ligações, de modo a poder-se verificar a propagação do
sinal ao longo do circuito ou averiguar o funcionamento de um circuito integrado.
O gerador de impulsos lógico detecta o nível de tensão no nó com o qual entra em contacto, e
injecta nesse nó impulsos de 10 µs, que se sobrepõem ao nível de tensão do nó.
Se o nó estiver no nível “0”, o gerador de impulsos permite levar esse ponto do circuito ao nível “1”
durante 10 µs, regressando em seguida ao nível “0” em que o nó se encontrava, repetindo esta
operação periodicamente. Por outro lado, se o nó estiver no nível “1”, o gerador de impulsos
executa a operação inversa.
Como a duração dos impulsos gerados é muito breve, os sinais injectados não danificam qualquer
componente do circuito, uma vez que a quantidade de energia enviada ao circuito sob teste é
diminuta.
O comutador “400pps/0.5pps” (pps - “pulses per second” = Hz - “hertz”) permite seleccionar a
frequência da sequência de impulsos gerada, para 400 impulsos por segundo ou para um impulso
em cada 2 segundos.
Especificações técnicas:
Taxa de impulsos: 0,5 a 400Hz
Impedância Entrada: 1MΩ
Tensão Entrada: ±35VDC, máx.
Corrente Saída: 100mA
Corrente Saída Onda Quadrada: 5mA
Tensão Operação: 5 ~ 15V
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2 - Ponta de prova lógica GLP-1:
(marca Elenco Electronics - modelo LP-700)
Este aparelho permite verificar o estado lógico de diferentes pontos do circuito.
A garra vermelha deve ser ligada a Vcc (Vcc=5V em circuitos TTL ; Vcc=3~18V em circuitos
CMOS) e a garra preta a GND ( 0V ).
O LED “LEVEL” (valor lógico) pisca se a tensão de alimentação for correcta.
O LED “LEVEL” acende para o valor lógico 1 (nível “alto”).
O LED “LEVEL” apaga para o valor lógico 0 (nível “baixo”).
O LED “PULSE” (detector de impulsos) acusa transições no sinal de “0” para “1” e de “1” para “0”
(detecta impulsos até 20ns de duração).
O LED “V+” (tensão de alimentação elevada) acende se Vcc>5V.
O LED “V-” (tensão de alimentação baixa) acende se Vcc<-5V.
O comutador “TTL/CMOS” permite seleccionar qual das famílias lógicas está em observação.
As famílias lógicas TTL e CMOS diferem nas gamas de voltagem que representam os valores
lógicos. O comutador “TTL/CMOS” permite interpretar correctamente os valores lógicos de
acordo com a família lógica e com o valor da tensão aplicada na ponta de sinal:
Família
TTL
CMOS
(Vcc=5V)
(Vcc=3~18V)
Valor lógico 1 (nível “alto”)
( LED “LEVEL” aceso )
> 2,3 ± 0,2 V
> 70% Vcc ± 1 V
Valor lógico 0 (nível “baixo”)
( LED “LEVEL” apagado )
< 0,8 ± 0,2 V
< 30% Vcc ± 1 V
≥500kΩ
≥1MΩ
Impedância elevada
( LED “LEVEL” pisca à frequência de 1Hz )
O comutador “PULSE/LATCH” (impulso/memória) permite seleccionar a forma de detectar
flancos de transição de sinais entre os valores lógicos “0” e “1”.
- Com a posição “PULSE”, acusa ambas as transições, de “0” para “1” e de “1” para “0”, durante
200ms (um impulso de duração visível é mostrado).
- Com a posição “LATCH”, o LED “PULSE” acende e mantém-se aceso até que haja uma
transição (a transição é memorizada).
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VI - Multímetro Digital
(marca Kiotto - modelo KT1000H)
O multímetro digital é um instrumento que permite medir diversas grandezas eléctricas. Este
aparelho incorpora um voltímetro para medir tensões eléctricas, um amperímetro para medir
correntes e um ohmímetro para medir resistências. Permite ainda verificar a continuidade de um
circuito.
O botão “ON/OFF” liga e desliga o aparelho.
O botão “HOLD” permite fixar o valor mostrado.
A grandeza a medir e a sua gama é seleccionada
através do comutador rotativo localizado no centro
do aparelho. Ao redor deste comutador encontramse os valores correspondentes aos limites
máximos das gamas e, em evidência, a unidade
da grandeza.
V
- medição de tensões AC
A
- medição de correntes AC
V
- medição de tensões DC
A
- medição de correntes DC
Ω
- medição de resistências
- verificação de continuidade
(através de sinal sonoro)
- teste de díodos
Na parte inferior do aparelho encontram-se as entradas. As entradas a utilizar variam com a
grandeza a medir e, no caso desta grandeza ser a corrente, com o seu valor.
COM
mAμA
A
VΩ
- entrada comum
- medição de correntes AC ou DC inferiores a 2A
- medição de correntes AC ou DC entre 2 e 10A
- medição de tensões, resistências, verificação de continuidade, teste de díodos
A ponta de prova preta deve ser sempre ligada à entrada comum (COM) e a vermelha à entrada
correspondente à grandeza a medir.
De modo a obter a melhor precisão possível, antes de realizar uma medição deve seleccionar a
gama imediatamente acima do valor máximo estimado para a medição. Se não for possível
estimar o valor máximo, deve começar por usar a gama mais elevada e baixar até atingir a gama
apropriada.
Grandezas e limites de medida:
Tensão contínua (DC):
Tensão alternada (AC) :
Corrente contínua (DC) :
Corrente alternada (AC) :
Resistência :
Verificação de continuidade :
0 a 1000V
0 a 750V
0 a 10A
0 a 10A
0 a 20MΩ
sinal sonoro para resistências <105Ω na gama de 200 Ω
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