Portas lógicas

DEE - Departamento de Engenharia Elétrica
Laboratório de Circuitos Digitais I – ELE 1065
EXPERIMENTO 2: Portas Lógicas
OBS: A partir deste experimento se faz necessário levar o pré-lab.
 Pode-se utilizar o roteiro e ir preenchendo o mesmo. O preenchimento sim deve ser manuscrito.
Não há necessidade de reescreve-lo.
1 OBJETIVOS
Nesta aula será feita uma introdução à instrumentação básica do laboratório e serão realizados experimentos simples
para familiarização com elementos discretos.
2 INTRODUÇÃO
As portas lógicas são elementos básicos na montagem de circuitos digitais. Apesar de que sua aplicação esteja
diminuindo, pelo uso de FPGA’s e circuitos com escala de integração maiores, ainda é muito importante o estudo de
circuitos digitais com as portas mais simples.
2.1 Encapsulamento e pinagem
Primeiramente, é necessário entender como serão feitas as ligações dos pinos de um circuito integrado (CI).
•
•
•
•
Encapsulamento;
Alimentação;
GND;
Entradas e saídas.
Há vários tipos de encapsulamento de CIs. A Fig. 1 e a Tab. 1 mostram alguns tipos de encapsulamento. Os
encapsulamentos diferem no formato e no número de pinos.
No encapsulamento DIP (Dual In-line Package), há duas fileiras de terminais no sentido longitudinal do CI. Um
chanfro ou ponto num dos lados indica o pino 1, na parte superior esquerda e a numeração aumenta no sentido antihorário, como indica a figura.
Os manuais de trazem a pinagem correta, indicando os pinos de alimentação (Vcc ou Vdd), aterramento (GND), e as
entradas e saídas, que dependem da função lógica implementada.
Além do formato do encapsulamento, também há o efeito do espaçamento ou passo, entre os terminais do CI e a sua
altura. Alguns dados são fornecidos na Tab. 1.
Figura 1: Alguns tipos de encapsulamento de CIs.
Na Fig. 2 tem-se a pinagem do circuito integrado 7400 (NAND), onde pode-se observar os pinos de alimentação (14),
terra (7), entradas e saídas para quatro portas lógicas num encapsulamento DIP de 14 pinos. Os manuais (datasheets)
podem ser conseguidos em páginas da internet, como por exemplo www.fairchildsemi.com.
Figura 2: Pinagem do componente 7400 (www.fairchildsemi.com).
2.2 Características
Apesar de se trabalhar com o conceito de sinais digitais, na verdade os sinais aplicados às entradas e lidos nas saídas
dos CIs são sinais analógicos. É interessante conhecer algumas características de portas lógicas quanto aos níveis de
tensão e corrente.
2.2.1 Tensão de saída versus Tensão de entrada
Nos manuais há tabelas indicando parâmetros de interesse quando se trabalha com portas lógicas. Algumas delas
referem-se às tensões de entrada e saída para os níveis lógicos 0 e 1. A figura 3 fornece uma relação entre a tensão de
entrada e de saída de um inversor.
• VIH(min):
Mínima tensão de entrada considerada como nível alto;
• VIL(max):
Máxima tensão e entrada considerada como nível baixo;
• VOH(min):
Mínima tensão de saída considerada como nível alto;
• VOL(max):
Máxima tensão de saída considerada como nível baixo.
Note: A transição não é abrupta, como pode-se observar na Figura 3.
Figura 3: Relação entrada-saída de um inversor.
Esses valores são importantes para determinar os níveis de tensão máximos e mínimos da entrada e saída de uma porta
lógica. Se esta estiver sujeita a ruídos, por exemplo, o nível de tensão pode ser modificado, o que pode causar
chaveamentos indesejados.
2.2.2 Correntes de entrada e saída
Além dos níveis de tensão adequados nas entradas e saídas, cada componente possui limites de corrente que pode
absorver ou fornecer. Isto é importante para estabelecer, por exemplo, quantas portas lógicas podem ser colocadas na
saída de outra. Por convenção assume-se que a corrente absorvida pela porta é positiva, e a corrente fornecida pela
porta é negativa. Para uma porta inversora, pode-se definir:
• IIL(max):
• IOL(max):
• IIH(max):
• IOH(max):
Máxima corrente fornecida por entrada em nível baixo;
Máxima corrente absorvida por saída em nível baixo;
Máxima corrente absorvida por entrada em nível alto;
Máxima corrente fornecida por saída em nível alto.
2.2.3 Tempo de propagação
Como observado, as portas lógicas são na verdade dispositivos analógicos que apresentem formas de onda contínuas.
A transição do nível lógico 0 para 1 não ocorre de maneira abrupta ou imediata, o que limita a sua velocidade de
operação. O tempo de propagação de uma porta lógica reflete a velocidade ou frequência que esta pode operar, e
indica o tempo que uma determinada entrada leva para produzir uma saída. A Fig. 4 indica os tempos para uma
configuração inversora:
• tPHL: Tempo para uma entrada em nível alto produzir uma saída em nível baixo.
• tPLH: Tempo para uma entrada em nível baixo produzir uma saída em nível alto.
Os tempos são medidos em relação a 50% da amplitude pico-a-pico dos sinais.
Figura 4: Tempos de propagação numa porta inversora.
3 PRÉ –LABORATÓRIO
Nota: A parte de Pre-Laboratório (item 3) e Experimental (item 4) pode e feito diretamente neste roteiro.
3.1 Introdução
a) Fale sobre encapsulamento e pinagem.
b) Explique o porquê de se trabalhar com o conceito de sinais digitais se na verdade os sinais aplicados às
entradas e lidos nas saídas dos CIs são sinais analógicos.
c) A figura 3 fornece um gráfico com a relação entre a tensão de entrada e de saída de um inversor. Estude-a
muito bem (pois será perguntado a respeito na aula) e explique o que são VIH(min),VIL(max) ,VOH(min) e
VOL(max).
d) Explique o que é tempo de propagação e explique tPHL e tPLH.
Nota: Se necessário pode inserir folhas (com margens) entre o item 31 e 3.2.
3.2 Consulte os manuais (data sheets) das portas 7400 (NAND) e 7402 (NOT):
a) Desenhe e identifique os pinos (In, Out, Vcc e GND).
b) Preencha a tabela com as características de entrada e saída.
7400 (NAND)
Vcc
VOH
VOL
VIH
VIL
tPLH
tPHL
c) Trace o gráficos, semelhante fig. 3.
3.3 Para cada circuitos abaixo faça:
 As funções lógicas (na íntegra) e depois as simplifique ao máximo.
 Coloque passo a passo a simplificação algébrica.
 Monte a tabela verdade.
 Coloque a pinagem dos circuitos, como indicado nas figura 5d.
 Simulação dos seus circuitos manualmente e/ou com software adequado, fornecendo as formas de onda de
saída dos circuitos. Considere que nas entradas devem ocorrer todas as combinações possíveis.
Sugestão: Utilizar software MaxPlus II. (Tutorial encontra-se no site, na pagina da disciplina)
(Se achar conveniente pode simular com software adequado e dar um print na tela do resultado, conforme figura
abaixo).
Figura 5a: Circuito lógico 1.
Figura 5b: Circuito lógico 2.
Figura 5c: Circuito lógico 3.
Figura 5d: Circuito lógico 4.
3.4 Considerando o circuito da figura 5a, pode-se observar na figura 6a que a mesma estava inicialmente com a
entrada em nível lógico alto (1) e a saída em baixo (0), uma vez que este circuito se comporta como uma inversora. No
instante t=0ms a entrada passou imediatamente para nível lógico baixo (0) e a saída demorou 5ns para alterar para
nível lógico alto (1). Isto ocorre devido ao atraso (delay), ou tempo de propagação, intrínseco as portas lógicas
Utilizando agora o circuito da figura 5d, considere que o mesmo está em nível lógico baixo (0) e que no instante
t=0ms, a entrada passe imediatamente para nível lógico baixo (1). Utilizando a figura 6b, faça um gráfico, semelhante
o da figura 6a, com o nível lógico de cada ponto ( A, X, Y, Z, S) do circuito em cada instante (5, 10, 15, 20, 25 e
30ms) considerando um delay de 5ms.
Obs:
 Note que a saída S depende da combinação dos níveis lógicos no ponto A e Z.
 Não foi considerado, e não precisa ser considerado neste exercício, o tempo de subida e/ou descida em
relação ao tempo (slew rate).
Figura 6a: Resp. do circ. 5a.
Figura 6b: Resp. do circ. 5d
4 PARTE EXPERIMENTAL
Atenção: Antes de fazer leia todo o roteiro.
4.1 Alimentação do módulo
a) Meça e anote com o multímetro o valor de (Vcc) fornecido pelo módulo. Verifique se está dentro dos limites
indicados no manual.
Vcc =
b) Meça e anote com o multímetro os níveis de tensão correspondentes a 0 e 1 de uma das chaves do módulo;
Nível Lógico 0 (Chave para baixo) =
Nível Lógico 1 (Chave para cima) =
4.2 Curva Entrada-Saída
Levantar alguns pontos importantes entre entrada e saída.
Monte um inversor com uma porta 7400 e monte a instrumentação como indicado na Fig. 7.
NÃO CONECTAR O FIO POSITIVO DA FONTE ANTES DO PROF. OU TECNICO VERFICAR A
MONTAGEM.
Figura 7: Aparato para medição de curva entrada-saída.
Obs:
 A alimentação do CI (Vcc/GND) deve ser conectada normalmente no módulo verde.
 Todos os terras devem estar no mesmo ponto.
a) Aplique uma tensão de 0V na entrada do circuito, e anote o valor da tensão de saída, VS1;
Valor de tensão “Low” na entrada
Valor de tensão medido na saída
VIL =
Vout =
b) Aumente lentamente a tensão de entrada até notar que a tensão de saída cai rapidamente. Reduza um pouco a
tensão de entrada, repetindo a operação algumas vezes, e obtenha o valor da tensão de entrada que provoca
esta mudança, chamando-a VlLmax. Esta tensão serve como uma medida para localizar em qual ponto da
curva há uma rápida variação;
Valor máximo de tensão “Low” na entrada
Valor de tensão medido na saída
VILmax =
Vout =
c) Coloque agora a tensão de entrada em 5V e anote o valor da saída VS0;
Valor de tensão “High” na entrada
Valor de tensão medido na saída
VILmax =
Vout =
d) Diminua lentamente a tensão de entrada até notar que a tensão de saída sobe rapidamente. Aumente um pouco
a tensão de entrada, repetindo a operação algumas vezes, e obtenha o valor da tensão de entrada que provoca
esta mudança, chamando-a de Vt0. Esta tensão serve como uma medida para localizar em qual ponto da curva
há uma rápida variação;
Valor mínimo de tensão “High” na entrada
Valor de tensão medido na saída
VILmax =
Vout =
e) Trace a curva utilizando, semelhante fig. 8, utilizando os valores encontrados nos itens anteriores (a, b, c, d).
Não precisa inserir no gráfico VOHmin e VOLmax, apenas os Vout correspondentes a VILmax e VIHmin.
Figura 8: Resposta de entrada e saída.
4.3 Pulsos espúrios – Glitches
 Montar (utilizar) o circuito da figura 5d.
Ajustar sinal do gerador:
 Ajuste o gerador de funções de modo a ter na sua saída uma forma de onda quadrada com amplitude de 0 e 5
V e frequência em 1KHz e verificar com o canal 1 osciloscópio.

(NÃO COLOCAR O SINAL NO CIRCUITO SEM ANTES MOSTRAR PARA O PROFESSOR OU TECNICO)

Após mostrar para o professor ou algum responsável pela aula, conectar o sinal no circuito. e com o canal 1 do
osciloscópio verificar a entrada e com o canal 2 a saída.
a) Ajustar inicial do Osciloscópio: (Deixar no modo acoplamento CC).
Canal 1 (Ch1) no sinal de entrada (Pto A)
Canal 2 (Ch2) na saída (Pto S )
Apertar o botão autoset.
Ajuste vertical dos canais em 2V/div.
Ajuste horizontal dos canais em 500us/div.
Verificar o sinal no (Pto A) e (Pto S). Desenhar, salvar ou tirar foto para fazer depois a discussão (item 5).
b) Ajustar inicial do Osciloscópio:
Ajuste horizontal em 50 ns/div.
Ajuste vertical dos canais em 2V/div.
Desenhar sinal de entrada e saída (ponto S) verificado.
Verificar o sinal no (Pto A) e (Pto S). Desenhar, salvar ou tirar foto para fazer depois a discussão (item 5).
c) Ajustar inicial do Osciloscópio:
Manter em 50 ns/div.
Manter em 2V/div.
Verificar o sinal no (Pto A) e (Pto Y). Desenhar, salvar ou tirar foto para fazer depois a discussão (item 5).
d) Qual tempo de propagação médio por uma porta lógica, já que o mesmo se propaga por 4 portas. Compare
com o resultado fornecido no manual?
R:
5 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO
Integrantes que fizeram aula pratica:
Nome:
RA.
Obs: Este item será feito em casa e entregue no dia seguinte.  Colocar no escaninho do professor.
5.1 Faça a discussão dos itens 4.1, 4.2 e 4.3 .