Protoboard - FTP da PUC

Laboratório de Circuitos Lógicos
1. Regras gerais para realização e entrega dos experimentos
propostos:
Todos os experimentos realizados no laboratório deverão ser descritos em um relatório. As
seguintes regras devem ser observadas tanto para realização de experimentos quanto para
entrega de relatórios:
- Os experimentos deverão ser realizados em duplas.
- Só poderá entregar o relatório do experimento o(s) aluno(s) que tiver assistido à
respectiva aula de laboratório.
- O relatório do experimento deve ser entregue impresso, na aula seguinte à realização ,
não podendo ser entregue em outra data.
1.1
Formato dos relatórios dos experimentos
A capa do relatório deve conter:
- O número e título do experimento.
- A data de realização do experimento.
- O nome e RA do grupo que realizou o experimento. Vale lembrar que só poderá entregar
o relatório do experimento os alunos que estiverem presentes na aula de laboratório da
data de realização.
O relatório deve conter:
- Uma introdução teórica sobre o assunto em questão
- Tudo que for especificado na seção Instruções para realização do experimento e
conteúdo do relatório em cada um dos experimentos.
- Dificuldades encontradas, se necessário (opcional).
2. Experimento 1: Reconhecimento da bancada de trabalho
2.1
Objetivo Geral
Reconhecimento da bancada de trabalho, com testes de funcionamento da protoboard,
leds, resistores.
2.2
Materiais
- protoboard
- 1 Resistor 1 KΩ
- 2 push buttons
- 1 led
- fonte de tensão
2.3
Introdução teórica
Os experimentos iniciais desta disciplina utilizarão a protoboard, também conhecida como
matriz de contatos, como placa didática para montagem de circuitos.
A protoboard é muito utilizada para simulação e testes de circuitos digitais, uma vez que
permite a montagem de circuitos, sem a necessidade de solda de componentes,
permitindo a montagem provisória e testes preliminares. É constituída por uma base
plástica, contendo pontos destinados à conexão de componentes eletrônicos.
Internamente, estes pontos são interconectados, de forma que não seja necessária a
utilização de solda. Desta forma, a grande vantagem é a possibilidade de testes e
alterações do circuito, além da reutilização dos componentes para novas montagens.
A Figura 1 apresenta a placa que será utilizada nos experimentos no laboratório.
Figura 1: Protoboard
A Figura 2 apresenta a matriz de pontos de uma protoboard:
Figura 2: Matriz de pontos da protoboard
Para que a protoboard possa ser utilizada, é necessário conectá-la a uma fonte de energia.
Para isso, os bornes de alimentação deverão ser conectados a uma fonte. Após conectar os
bornes, é necessário utilizar fios para fazer a conexão elétrica dos barramentos de
alimentação, destacados na Figura 2 (linhas e colunas com marcas em azul e vermelho). É
necessário ligar com fios os bornes de alimentação aos barramentos (indicadas na figura
pelas cores vermelha e azul).
A Figura 3 apresenta um exemplo de uma protoboard com alimentação. Os bornes são
ligados a uma fonte de energia (positiva e negativa), e a partir dos bornes, os barramentos
de alimentação (linhas superiores) são ligados com fios.
Figura 3: Exemplo de protoboard com alimentação
A área de trabalho da placa destacada na Figura 2 é o local onde os circuitos podem ser
montados. Ela é dividida em duas partes, separadas por uma canaleta. Esta canaleta isola
eletricamente as linhas da área de trabalho.
A Figura 4 apresenta a divisão da protoboard em termos de isolamento elétrico. As
colunas circuladas em C e D representam colunas cujos orifícios são eletricamente ligados
(normalmente utilizados como barramentos de alimentação).
As linhas circuladas em A e B representam linhas cujos orifícios são eletricamente ligados.
A canaleta entre as linhas representa o isolamento elétrico entre elas.
Figura 4: Divisão elétrica da protoboard
Neste experimento, os circuitos montados utilizarão push buttons, leds e resistores. É
importante tomar certos cuidados na utilização destes componentes na área de trabalho:
- Antes de se iniciar a montagem de circuitos, ou de se trocar componentes na protoboard
é importante que sua alimentação seja desconectada.
- A ligação dos terminais de um componente sempre deve estar isolada eletricamente, ou
seja, em linhas diferentes na área de trabalho da protoboard. Caso contrário, a conexão
estará em curto, e o circuito não funcionará corretamente.
- Os leds possuem dois terminais de contato, sendo que o terminal mais longo (anodo)
deve obrigatoriamente ser ligado a um pólo positivo, e o terminal mais curto (catodo) deve
ser ligado a um pólo negativo.
- os push buttons funcionam como chaves que permitem a passagem de corrente quando
pressionados. É importante que cada um de seus terminais estejam conectados a orifícios
isolados eletricamente na protoboard.
- Para conectar dois componentes na protoboard, é necessário que um dos terminais de
cada componente esteja conectado na mesma linha. Como os orifícios de uma linha são
eletricamente ligados, conectar um terminal de dois componentes diferentes em uma
mesma linha realiza a conexão dos mesmos.
2.4
Instruções para realização do experimento
Este experimento está dividido em 3 atividades:
Atividade 1: Testando acender e apagar um led:
Montar um circuito para acender/apagar o led utilizando um push button , resistor e led.
Atividade 2: Ligação em série
Montar um circuito para controle de um led com dois push buttons ligados em série, ou
seja, apenas quando ambos os botões estiverem pressionados simultaneamente, o led
deverá se acender.
Atividade 3: Ligação em paralelo
Montar um circuito para controle de um led com dois push buttons ligados em paralelo, ou
seja, apenas quando qualquer um dos botões estiver pressionado, o led deverá se acender.
2.5
Conteúdo do Relatório
Para cada um dos circuitos requisitados na sessão 2.4, o relatório deve conter uma foto da
montagem do protoboard, e uma explicação sucinta sobre os elementos e conexões
realizadas em cada um dos circuitos.
3. Experimento 2: Circuitos combinacionais usando CI’s
3.1
Objetivo Geral
Apresentar o funcionamento de circuitos integrados para portas lógicas AND, OR, NOT, e a
montagem de circuitos combinacionais utilizando Circuitos integrados (CI’s).
3.2
Materiais
- 1 CI 7408 (Portas AND))
- 1 CI 74LS32 (Portas OR)
- 1 CI 7404 (Portas NOT)
- fios
- protoboard
- 1 led
- fonte de tensão
3.3
Introdução Teórica
Circuitos integrados são compostos internamente por diodos, transistores, resistores, e
outros elementos fabricados em uma única peça de material semicondutor (silício),
chamada chip. Os circuitos integrados implementam internamente funções lógicas.
A lógica de um circuito integrado pode ser complexa como uma placa arduíno ou muito
simples, como um conjunto de portas lógicas NOT.
O chip é empacotado em uma embalagem de plástico ou cerâmica, juntamente com pinos
de entrada e saída de sinais, de forma que possa ser ligado a outros componentes em um
circuito. A Figura 5 apresenta uma visão interna de um empacotamento.
Chanfro
Figura 5: Empacotamento DIP
O empacotamento da Figura 5 é chamado de DIP (Dual-in-line Package), devido a forma
como os pinos são dispostos, em duas fileiras paralelas. Os CIs podem possuem um
chanfro, indicando onde está posicionado o pino 1.
Os pinos são numerados em sentido antihorário, a partir do chanfro, conforme
apresentado na Figura 6 .
Figura 6: Numeração de pinos em empacotamento DIP
Neste experimento serão utilizados circuitos integrados da família TTL (TransistorTransistor Logic), que são produzidos por diversos fabricantes (originalmente criado pela
Texas Instruments). Circuitos desta família podem ser de duas séries diferentes: série
militar, cujos componentes começam com a numeração 54, e a série comercial, cujos
componentes começam com a numeração 74.
Na família TTL 74, os transistores que implementam internamente os circuitos são
alimentados por uma fonte de tensão de 5V, sendo este o nível lógico 1.
Os CI’s possuem um pino para alimentação, que deve ser ligado a uma fonte de tensão, e
outro pino para ligação com Terra (Gnd).
Quando inserimos um CI em uma protoboard, é importante observar o local onde ele será
inserido, para que seus pinos não fiquem em curto. A forma correta de ligação está
apresentada na Figura 7. Como mostrado, cada um dos pinos do CI está isolado
eletricamente.
Figura 7: Circuito inserido na protoboard
É importante observar que para que o CI funcione corretamente, deverá ter suas conexões
Vcc alimentada com tensão de 5 V e Gnd ligada ao Terra.
Serão utilizados neste experimento os seguintes CI´s:
- 7408
Este CI fornece um conjunto de 4 portas lógicas AND, cada uma com duas entradas e uma
saída. A Figura 8 mostra a o mapeamento dos pinos deste CI. O pino 7 deve ser ligado ao
Terra, e o pino 8 à fonte de tensão.
Figura 8: Mapeamento do CI 7408 - Portas lógicas AND
A Figura 9 mostra a representação gráfica de uma porta lógica AND de duas entradas (A e
B) e uma saída (Y), com o resultado da operação E lógico sobre as duas entradas.
Figura 9: Representação gráfica da porta AND
A porta lógica AND realiza a operação de “E” lógico sobre as entradas: Y = A.B
A tabela verdade desta porta lógica é:
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
- 74LS32
Este CI fornece um conjunto de 4 portas lógicas OR, cada uma com duas entradas e uma
saída. A Figura 10Figura 8 mostra a o mapeamento dos pinos deste CI. O pino 7 deve ser
ligado ao Terra, e o pino 8 à fonte de tensão.
Figura 10: Mapeamento do CI 74LS32 - Portas lógicas OR
A Figura 9Figura 11 mostra a representação gráfica de uma porta lógica OR de duas
entradas (A e B) e uma saída (Y), com o resultado da operação OU lógico entre as
entradas.
Figura 11: Representação gráfica da porta OR
A porta lógica OR realiza a operação de “OU” lógico sobre as entradas: Y = A+B
A tabela verdade desta porta lógica é :
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
1
1
1
- 7404
Este CI fornece um conjunto de 6 portas lógicas NOT, cada uma com uma entrada e uma
saída (apenas lembrando que as portas NOT possuem apenas uma entrada). A Figura
12Figura 10Figura 8 mostra a o mapeamento dos pinos deste CI. O pino 7 deve ser ligado
ao Terra, e o pino 8 à fonte de tensão.
Figura 12: Mapeamento do CI 7404 - Portas lógicas NOT
A Figura 13 mostra a representação gráfica de uma porta lógica OR de uma entrada (A) e
uma saída (Y), com o resultado da operação “NÃO” lógico da entrada
Figura 13: Representação gráfica da porta lógica NOT
A porta lógica NOT realiza a operação de negação para uma entrada: Y = A
A tabela verdade desta porta lógica é:
A
0
1
Y
1
0
Todas as bancadas do laboratório possuem data sheets com informações sobre cada um
dos CI’s utilizados.
3.4
Instruções para realização do experimento
Este experimento está dividido em 2 atividades:
Atividade 1: Testando o funcionamento dos circuitos integrados:
Utilizando os circuitos integrados 7408 (porta lógicas AND), 74LS32 (portas lógicas OR) e
7404(portas lógicas NOT), faça testes das tabelas verdades com duas entradas.
Não se esqueça de testar se todas as portas dos CI’s estão funcionando corretamente.
Como podemos utilizar os circuitos integrados 7408 e 74LS32 de duas entradas para
realizar as funções lógicas AND e OR de 3 entradas?
Atividade 2: Testando o teorema de De Morgan:
Montar um circuito para provar o teorema de De Morgan, utilizando os CI’s:
x.y=x+y
Para provar o teorema, monte um circuito para cada lado da igualdade e verifique as
tabelas verdade para cada parte da equação.
3.5
Conteúdo do Relatório
O relatório deve conter para cada uma das atividades do experimento, a expressão
algébrica implementada, e como se chegou nesta expressão, além de uma foto de cada
circuito montado.
4. Experimento 3: Circuitos combinacionais
4.1
Objetivo Geral
O objetivo deste experimento é realizar a montagem de circuitos combinacionais no
protoboard.
4.2
Materiais
- 1 CI 7408
- 1 CI 74LS32
- 1 CI 7404
- fios
- protoboard
- led
- fonte de tensão
4.3
Introdução Teórica
Este experimento utilizará continuará utilizando os circuitos integrados da família 74. As
tarefas deste experimento requerem o conhecimento de manipulações algébricas
estudados nas aulas teóricas para a resolução de problemas.
4.4
Instruções para realização do experimento
Este experimento está dividido em 3 atividades:
Atividade 1: Circuito de controle de luz por duas chaves
Assumir uma sala com 2 portas e perto de cada porta um interruptor de luz. Queremos
projetar um circuito que controle a iluminação da sala de tal maneira que possamos
acender ou apagar a lâmpada pela mudança de qualquer interruptor.
Atividade 2: Montagem de um circuito Multiplexador:
Utilizando os circuitos integrados, monte um circuito que simule um multiplexador.
Multiplexador é um circuito que permite com que seja escolhida, dentre várias entradas,
apenas uma. Este circuito é composto por duas entradas (x1 e x2) e um sinal de controle
(S).
Se S = 0 -> f = x1
Se S = 1 -> f = x2.
Atividade 3: Síntese de circuitos
Utilize manipulação algébrica para realizar a síntese da seguinte expressão:
f = x1x3 + x1x2 + x1 x2 x3 + x1 x2 x3
Monte no protoboard o circuito correspondente à síntese obtida.
Verifique a tabela verdade para este circuito.
4.5
Conteúdo do Relatório
O relatório deve conter para cada uma das atividades do experimento, a expressão
algébrica implementada, e como se chegou nesta expressão, além de uma foto de cada
circuito montado.
5. Experimento 4: Transistores
5.1
Objetivo Geral
Este experimento tem como objetivo a construção de portas lógicas a partir de
transistores NMOS e PMOS.
5.2
Materiais
- 2 transistores NPN - (NMOS) – BC 548
- 2 transistores PNP - (PMOS) – BC 558
- 6 resistores de 1 K Ω
- 2 leds
5.3
Introdução Teórica
Circuitos lógicos são implementados via transistores, que operam como chaves. O objetivo
deste experimento é proporcionar ao aluno a oportunidade de construir diversas portas
lógicas através de transistores,
Os transistores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) podem ser
encontrados em dois tipos: NMOS e PMOS.
Os transistores NMOS possuem a seguinte representação gráfica:
Onde:
Vg = Tensão do Gate
Vs = Tensão de Source
Vd = Tensão de drain
O Gate recebe uma tensão que permite a conexão entre drain e source (transistor é dito
desligado) . Se Vg é baixo, não há conexão entre drain e source. Se Vg é alta, há conexão
entre drain e source (transistor é dito ligado).
A figura abaixo apresenta a representação gráfica de um transistor PMOS:
O comportamento de um transistor PMOS é oposto ao NMOS em relação à tensão
recebida em Vg. Se Vg é alta, não se faz conexão entre Vd e Vs, e o transistor é dito
desligado. Se Vg é baixa, existe conexão entre Vd e Vs e o transistor é dito ligado.
Na década de 80, começaram a ser utilizados circuitos construídos a partir da combinação
entre PMOS e NMOS chamados CMOS
Para a construção de portas lógicas utilizando transistores do tipo NMOS serão utilizados
neste experimento os transistores BC548 (NPN. Para a construção de portas lógicas
utilizando transistores do tipo CMOS serão utilizados tantos transistores NPN BC 548
quanto transistores PMOS BC 558 (PNP), ambos apresentados na Figura 14
Figura 14: Transistor NPN - BC 548 e PNP – BC 548
O mapeamento das conexões gate, source e drain para ambos os transistores BC548 e
BC558 é:
Vd: collecter: ligado a Vcc
Vg: Base: chaveamento do transistor
Vs: emitter: ligado ao Gnd
Deve-se observar o lado “chato” do transistor para identificar cada um de seus conectores.
5.4
Instruções para realização do experimento
Este experimento está dividido em 4 atividades:
Atividade 1: Teste de um transistor NMOS
Construa um circuito para controlar o acendimento de um led utilizando como chave um
transistor NMOS.
Atividade 2: Montagem da porta NOT
Utilizando apenas transistores NMOS, construir a porta NOT.
Atividade 3: Montagem da porta NAND
Utilizando apenas transistores NMOS, construir a porta NAND
Atividade 4: Montagem da porta AND
Utilizando apenas transistores NMOS construir a porta AND.
Atividade 5: Montagem de uma porta NAND com transistores CMOS
Utilizando transistores NMOS e PMOS, construir a porta NAND.
5.5
Conteúdo do Relatório
O relatório deve conter para cada uma das atividades do experimento, uma foto de cada
circuito montado, bem como a tabela verdade para cada um dos transistores utilizados,
explicando de que forma a utilização destes transistores implementa a porta lógica da
atividade.