5174 - C 01 Estudo das Portas Lógicas e Implementação de um

5174 - CIRCUITOS DIGITAIS - AULA PRÁTICA 01
Estudo das Portas Lógicas e Implementação de um Circuito Combinacional utilizando CI’s
1 - Objetivos:
• Apresentar conceitos básicos sobre os circuitos integrados, em especial, CI’s da família LTT (lógica
transistor - transistor) ou TTL (Transistor - Transistor Logic).
• Conhecer as características técnicas dos CI’s utilizados na prática.
• Conhecer a relação existente entre tabelas verdade, expressões booleanas e circuitos lógicos.
• Construir a tabela verdade e as formas de onda, a partir do estudo das portas lógicas e da
implementação do circuito lógico combinacional proposto, com dados obtidos na simulação. Analisar o
funcionamento do circuito e interpretar resultados.
• Praticar as montagens experimentais sobre a matriz de contatos ou proto-board.
2 - Fundamentação Teórica:
Introdução aos circuitos integrados
Chamamos de “família lógica” a um conjunto de circuitos eletrônicos que possuem características
construtivas e funcionais similares e que foram desenvolvidos para implementar funções lógicas. A partir
desse conceito, pode-se dizer que sistemas digitais são construídos basicamente a partir destas famílias
lógicas, as quais, por sua vez, são constituídas de portas lógicas.
O fator mais importante relacionado com a velocidade de uma porta lógica é o tempo de atraso de
propagação tap, tempo requerido pela saída da porta para responder a uma mudança no nível lógico da
entrada da porta.
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Os dispositivos eletrônicos funcionam com tap da ordem de microssegundos a nanossegundos (10
s). Existem outros fatores de comparação entre as famílias lógicas, tais como: dissipação de potência,
produto velocidade X potência, margem de imunidade ao ruído, capacidade ou feixe de saída (FAN-OUT),
densidade de integração, custo, etc.
Em um circuito integrado (CI) muitos transistores bipolares (NPN e PNP), transistores de efeito de
campo tipo MOS (Metal Oxide Semiconductor) ou MOSFET, resistores, capacitores e diodos são fabricados,
isto é integrados, sobre a mesma pastilha de silício. Além disso, na mesma estrutura são também
integradas as interligações necessárias para fabricar uma porta completa, muitas portas e, até mesmo, um
sistema digital completo.
Circuitos integrados comercialmente disponíveis são classificados como circuitos com integração
em pequena escala (SSI - Small Scale Integration), integração em média escala (MSI - Medium Scale
Integration), integração em larga escala (LSI - Large Scale Integration), integração em muito larga escala
(VLSI - Very Large Scale Integration) e integração em ultra larga escala (ULSI - Ultra Large Scale
Integration). Uma convenção é que um circuito com até 12 portas é considerado SSI, de 13 a 99 portas é
considerado MSI, de 100 a 999 portas é considerado LSI, de 1.000 a 99.999 portas é considerado VLSI e
acima de 100.000 portas é considerado ULSI.
Os circuitos integrados apresentam-se com quatro tipos de encapsulamentos (Figura 1): cilíndrico,
plano, flat-pack, dupla linha de conexões (DIL ou Dual In Line, QIL ou Quad In Line).
Figura 1 Tipos de encapsulamentos de CI’s: (a) cilíndrico, (b) flat-pack, (c) plano e (d) dupla linha de
conexões
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Os circuitos integrados são divididos em quatro tipos fundamentais:
- lineares ou analógicos: não são digitais, empregados em reguladores de tensão e amplificadores
operacionais.
- digitais que formam famílias com outros: de características gerais semelhantes; por exemplo, CI da família
TTL e da família CMOS, etc.
- digitais que não formam famílias com outros.
- mistos ou analógico-digitais: empregados nos conversores analógico-digitais e digital-analógicos, de uso
freqüente nos multímetros digitais.
Identificação dos circuitos integrados
São codificados pelos fabricantes por um conjunto de números e letras, não padronizados
universalmente. Como exemplo, a Texas Instruments codifica seus circuitos integrados da seguinte forma:
a) Duas letras, SN, identificam o fabricante.
b) Dois algarismos indicam a faixa de temperaturas admissível que o CI pode operar:
72, 74, 75 - tipo comercial, faixa de 0° a 75°C.
52, 54, 55 - tipo militar, faixa de - 55° a + 125°C .
c) Dois ou três algarismos indicam a função do CI.
d) Letra final mostra o tipo de encapsulamento:
J - DIL, cerâmico
N - DIL, plástico
H, U, T, W, Z - "flat-pack"
L - cápsula TO 5
Exemplo:
CI SN74LS00N
SN: fabricante - Texas Instruments
74 : tipo comercial - faixa de temperatura de 0° a 75°C
LS : sub-série - TTL Schottky de baixa potência
00 : função - quatro portas NÃO-E (NAND) de duas entradas
N : encapsulamento - DIL, plástico
Nota: Existem algumas designações referentes às características específicas dos CI’s (subséries) que
devem ser levadas em consideração no projeto. Dentre elas estão:
74XXX – Família TTL original.
74LXXX – Versão de baixo consumo do TTL padrão.
74LSXXX – TTL Schottky de baixa potência. Largamente usada.
74SXXX – Antigo Schottky (TTL).
74ALSXXX – Schottky avançado de baixa potência.
74ASXXX – Schottky avançado, e outros.
Introdução aos circuitos combinacionais
Em eletrônica digital é comum utilizar lógicas mais complexas para atender as necessidades dos
projetos e sistemas digitais. Estas funções lógicas mais complexas são implementadas por meio da
interligação de portas lógicas básicas, dando origem assim aos circuitos lógicos. Os circuitos lógicos, por
sua vez, podem ser divididos em grupos funcionais como circuitos combinacionais, circuitos seqüenciais e
memórias, sendo que este último grupo será abordado posteriormente.
Os circuitos combinacionais são aqueles cujos níveis lógicos das saídas dependem, única e
exclusivamente, dos níveis lógicos das entradas, independente do tempo em que são aplicados.
São constituídos por conjuntos de portas lógicas e projetados a partir de tabela verdade que vai
definir o nível lógico das saídas, consideradas todas as combinações possíveis das entradas. Podem ser
definidos também a partir de símbolos gráficos e expressões booleanas.
Dentre os circuitos combinacionais mais utilizados em Eletrônica Digital destacam-se: codificadores,
decodificadores, multiplexadores, demultiplexadores, somadores, comparadores, conversores de códigos,
deslocadores, arranjo lógico programável (ALP), unidade lógica e aritmética (ULA), geradores e detectores
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de paridade, memória somente de leitura (ROM - Read Only Memory), e outros.
Com base na introdução teórica sobre circuitos combinacionais, é proposto um circuito lógico (Figura
2) montado com portas lógicas usando CI’s da família TTL, através do qual é possível analisar o
funcionamento fundamentado em uma expressão booleana e, conseqüentemente, em uma tabela verdade.
3 - Componentes:
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1 fonte de alimentação regulada de tensão de 5V/1A (V1)
1 resistor de 220 Ω (R1), ¼ W ± 10%
1 led (D1)
1 CI SN74LS00N (4 portas NÃO-E)
1 CI SN74LS02N (4 portas NÃO-OU)
1 CI SN74LS04N (6 portas NÃO ou 6 inversores)
1 CI SN74LS08N (4 portas E)
1 CI SN74LS32N (4 portas OU)
1 CI SN74LS86N (4 portas OU-EXCLUSIVO)
1 dip switch (Chaves S1, S2, S3 e S4)
1 matriz de contatos (proto-board)
4 - Procedimentos:
a) Simulação no Circuit Maker (KTechLab)
1. No MENU FILE selecione a opção NEW. Para montar o circuito, primeiro selecione a opção DEVICESSEARCH no MENU superior, digite o nome de cada componente no local indicado (SPST switch, led,
74LS00, 74LS02, 74LS04, 74LS08, 74LS32, 74LS86, ground e V source) e aperte o ícone FIND com o
botão esquerdo do mouse. Após a pesquisa, clique duas vezes sobre o nome do componente que
aparece abaixo do campo de pesquisa e este será enviado para a tela principal. Na tela principal clique
duas vezes sobre o componente para ajustar os valores de acordo com o indicado no item 3
(componentes).
2. Ligue cada uma das portas lógicas adequadamente e no MENU FILE salve o circuito. No MENU
SIMULATION selecione a opção DIGITAL_MODE e, logo após, a opção SIMULATION-RUN.
3. Variando os contatos dos SPST switches preencha as TV’s (tabelas verdades), bem como as suas
formas de onda.
4. Ligue os componentes como indicado na Figura 2 e no MENU FILE salve o circuito. No MENU
SIMULATION selecione a opção DIGITAL_MODE e, logo após, a opção SIMULATION-RUN.
5. Variando os contatos dos SPST switches preencha a TV (tabela verdade) com os resultados obtidos para
o circuito simulado.
Figura 2 Circuito lógico proposto
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b) Montagem em Matriz de Contatos ou Proto-board
1. Monte as portas lógicas, bem como o circuito indicado na Figura 2 sobre o proto-board e utilize o dip
switch para comandar os valores das entradas.
2. Ligue os bornes de saída da fonte nos bornes de entrada de tensão contínua do proto-board.
3. Conecte os bornes de entrada do proto-board nos locais apropriados para alimentação do circuito
montado.
4. Ligue a fonte na tomada e ligue a chave interruptora da fonte.
5. Variando os contatos do dip switch construa as TV’s para os circuitos montados. Anote os resultados.
EXPRESSÃO BOOLEANA:
FUNÇÃO BOOLEANA REPRESENTATIVA:
S1 S2 S3 S4 (S1.S2)’ (S3.S4)’
((S1.S2)’)’=E
((S3.S4)’)’=F
(E.F)’=S
D1
5 - Observação:
a) Descreva detalhadamente a simulação e a implementação na matriz de contatos efetuadas e construa
as tabelas verdades relacionando as entradas e os resultados obtidos.
b) O relatório deverá ser apresentado em papel almaço ou impresso seguindo a norma para elaboração de
relatório (Modelo de Relatório).
Bibliografia
Idoeta, I. V.; Capuano, F. G. Elementos de Eletrônica Digital. Editora Érica Ltda., 2006.
Martins, N. A.; Santos, N. M. Práticas de Laboratório de Eletrônica Digital e Hardware Lógica Combinacional - Volume 2.
Número
111.
Editora da Universidade
Estadual de Maringá (EDUEM), 2002.
Martins, N. A.; Martini, J. A., Oliveira, D. M. Simulando Eletrônica Digital - Lógica
Combinacional - Volume 2.
Número 19.
Editora da Universidade Estadual de
Maringá (EDUEM), 2005.