Apostila Digitais

Conjunto Didático de Eletrônica Digital

Apostila de Treinamento

CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL

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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

mailto:[email protected]


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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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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 Descrição

VIL 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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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.

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.

Valor 1

Indeterm.

Valor 1

Valor 0

VIH

VIL

0,8V

2,0V

Valor 1

Indeterm.

Valor 1

Valor 0

VOH

VOL

0,4V

2,4V

Entrada Saída

Indeterm.

Valor 1

Valor 0

VIH

VIL

1,5V

3,5V

Indeterm.

Valor 1

Valor 0

VOH

VOL

0,4V

4,4V

Entrada Saída

Família TTL Família CMOS



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Porta E

A

B

S

Porta OU

A

B

S

Porta NOT

SA

Porta NE

A

B

S

Porta NOU

A

B

S

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

A S

0 1

1 0

A B S

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A B S

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0


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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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3. Altere as ligações para o esquema mostrado a seguir:

Porta E

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1

Porta OU

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1

Porta NOU

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1

Porta NE

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1


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4. Preencha as tabelas da verdade abaixo, alterando o estado dos geradores de

pulso e observando o estado da saída das portas.

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.

Porta E Porta OU Porta NE Porta NOU

AB S AB S AB S AB S

0 0 0 0

1 1 1 1



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Escreva abaixo como seria a tabela da verdade desta operação e sua expressão

booleana.

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.

Porta XOU

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1


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11 Cite uma aplicação possível para este tipo de operação.

Porta XOU

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1



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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, tratando-

se 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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Campo Descrição

VIL 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. 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.

VOH

Tensão mínima presente na saída do dispositivo, quando esta estiver em

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.

IOMAX

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

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.

II

Corrente máxima consumida pela entrada do dispositivo, em dispositivos

CMOS também pode ser representa por ILI (Input Leakage Current), pois

como estes dispositivos tem a entrada isolada (base de um MOSFET) a

corrente consumida é na verdade a corrente de vazamento deste

transistor.

ICC

Corrente máxima consumida pelo dispositivo para sua alimentação. Este

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.

Raphael

Realce


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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 Descrição

tPHL / tPLH 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.

http://ics.nxp.com/products/hc/datasheet/74hc04.74hct04.pdf



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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:


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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Procedimento

Nesta experiência vamos explorar algumas características elétricas das portas

lógicas e construir um circuito combinacional.


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:


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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A

B

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.

A

B

S

4 Cite uma aplicação possível para a operação NXOU.

Porta XOU

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1

Porta NXOU

A B S

0 0

0 1

1 0

1 1


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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 S

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1



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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.

9. A tensão de saída em nível alto alterou-se para diferentes valores de corrente?

Explique quais são as implicações disso na prática.

IO VOH

1mA

2,5mA

5mA

10mA


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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.

11 Cite as principais implicações destes tempos de atraso no funcionamento de um

circuito digital.

tPHL

tTHL



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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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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:

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:

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

5 7 3 1

103 102 102 100

5.103 + 7.102 + 3.101 + 1.100 = 5731

23 22 21 20

1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 = 13

1 1 0 1 LSB MSB


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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, tratando-

se 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:

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:

23 + 22 + 20 = 13

1 1 0 1 LSB MSB



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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

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

LSB

MSB

9 F C D

163 162 162 160

9.103 + 15.102 +12.101 + 13.100 = 40909


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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:

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.

1001

9

1111 1100 1101

F C

D



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Procedimento

Nesta experiência vamos exercitar conversões entre os sistemas numéricos e em

seguida montar um circuito comparador.


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:


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.


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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.



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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:


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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?



33

8 Descreva algumas aplicações do comparador de magnitude.


34


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.



35

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:

1 1 0 0

1 0 0 1

0 0 1 1

-

Emprestimo

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 extraà esquerda

0 0 1 1 1

3. Invertemos cada bit 1 1 0 0 0

4. Somamos 1 o valorinvertido

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

+


36


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

1 0 0 1

1 0 0 1

E

1 1 0 1

1 0 0 1

1 1 0 1

OU

1 1 0 1

1 0 0 1

0 1 0 0

XOU

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.



37

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

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT181_CNV_2.pdf


38


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).


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:


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



39

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 X menos Y -

1 1

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

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.


40


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).



41


42


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.



43

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.


44


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:

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.

0010

2

0101

5

Conversão Decimal - BCD Conversão Decimal - Binário

11001



45

Procedimento

Nesta experiência iremos estudar a codificação BCD e montar um circuito

decodificador BCD – 7 segmentos.


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.



MED05 - DECODIFICADOR DE 7 SEGMENTOS

MATRIZ DE PONTOS

g

f

e

d

c

b

a

g

f

e

d

c

b

a

S

9

8

76

5

43

21

0

B

1100111

1111111

0000111111100

1101101

11001101001111

10110110000110

0111111

1001

0001

11100110

1010

00101100

01001000

0000

11

11

1111

11

1111

1111

0

0

00

0

00

00

110

0000000xxxx10x1111111xxxx0xx

OutputsInputs

gfedcbaD 0D 1D 2D 3LTB ILE

CD4511CD4511

GND

+12VDC


desligado.

2. Primeiramente vamos determinar que segmentos devem ser acesos para cada

dígito a ser representado, para isso preencha a tabela a seguir:


46


Valor Dígito a b c d e f g

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9



47

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?


48


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)?



49

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.

MED05 - DECODIFICADOR DE 7 SEGMENTOS

MATRIZ DE PONTOS

g

f

e

d

c

b

a

g

f

e

d

c

b

a

S

9

8

76

5

43

21

0

B

1100111

1111111

0000111111100

1101101

11001101001111

10110110000110

0111111

1001

0001

11100110

1010

00101100

01001000

0000

11

11

1111

11

1111

1111

0

0

00

0

00

00

110

0000000xxxx10x1111111xxxx0xx

OutputsInputs

gfedcbaD 0D 1D 2D 3LTB ILE

CD4511CD4511

GND

+12VDC


50


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.



51


52


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 flip-

flop é que ele circuito biestável, isto é, suas saídas possuem dois estados estáveis,

0 e 1.



53

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.

R S Saída Futura (Qn+1)

0 0 Saída Anterior (Qn)

0 1 0

1 0 1

1 1 Não Permitido

S

Q

Q

CLK


54


Procedimento

Nesta experiência iremos estudar variados tipos de flip-flops, levantar suas tabelas

funcionais e discutir suas aplicações.


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.




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.



55

R

S

CLK

Q

Q

+5V

1K

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.


56


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



57

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:


58


J

K

CLK

Q

Q

DD

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.



59


60


Experiência 7: Contadores Assíncronos

Objetivo

Montar um contador assíncrono, utilizando flip-flops JK, de 3 estágios;


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,



61

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:


62


Procedimento

Nesta experiência iremos construir um contador assíncrono de três estágios.


Com mais estágios, este contador poderia ser utilizado em roletas de acesso, para

contar o número de pessoas que entram em um estabelecimento.




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:



63

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):


64


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:



65

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?


66


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?



67


68


Experiência 8: Contadores Síncronos e Código Gray

Objetivo

Montar um contador síncrono up/down binário e código gray;


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.



69

T

CLK

Q

Q

T

CLK

Q

Q

T

CLK

Q

Q

T

CLK

Q

Q

Circuito Combinacional

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


70


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.



71

Procedimento

Nesta experiência iremos construir um contador síncrono up/down binário e em

seguida adaptá-lo para uma contagem em código Gray.


Contadores podem ser aplicados em temporizadores, relógios, contadores de

eventos, máquinas de estado, freqüencímetros, para citar algumas das aplicações.




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


72


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):



73

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 (tPHL 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:


74


7. Incremente e decremente o contador, observando o estado das saídas, e

desenhe abaixo o diagrama da contagem:



75


76


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.

D

CLK

Q

Q

D

CLK

Q

Q

D

CLK

Q

Q

D

CLK

Q

Q

IN 3 IN 2 IN 1 IN 0

OUT 3 OUT 2 OUT 1 OUT 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



77

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

Comum1

2

3


78


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

Ba

rram

ento

de

Da

do

s

Interfacede Teclado

Memória

Hab. Memória

Hab. Interfacede 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



79

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.

A S

H

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 tri-

state, 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.

A S

H1

H2


80


Procedimento

Nesta experiência iremos montar um circuito digital com um registrado de 8 bits e,

em seguida, com um buffer tri-state bidirecional.


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.




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?



81

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?


82


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.



83

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.


84


Experiência 10: Registrador de Deslocamento

Objetivo

Montar um circuito com registrador de deslocamento;


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.

D

CLK

Q

Q

D

CLK

Q

Q

D

CLK

Q

Q

D

CLK

Q

Q

OUT 0 OUT 1 OUT 2 OUT 3

Entrada

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



85

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.

OUT0 OUT1 OUT2 OUT3Entrada

Uma das muitas aplicações possíveis com este tipo de circuito é a conversão serial-

paralela. 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.

0

1 1

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:

X X X 0 Entrada=01ª Borda:

X X 0 1 Entrada=12ª Borda:

X 0 1 1 Entrada=13ª Borda:

0 1 1 0 Entrada=04ª Borda:

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.


86


Procedimento

Nesta experiência iremos montar um circuito digital com um registrado de

deslocamento de 8 bits.


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.




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:



87

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?


88


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?



89


90


Experiência 11: Decodificador BCD-Decimal e Decimal-BCD

Objetivo

Montar um circuito com decodificador BCD-Decimal;

Montar um circuito com decodificador Decimal-BCD;


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).

Q9

Q8

Q7

Q6

Q5

Q4

Q3

Q2

Q1

Q0

D3

D2

D1

D0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0



91

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

Dados

Mem.0

A12..A0

Mem.1 Mem.2 Mem.3 Mem.4 Mem.5 Mem.6 Mem.7

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Dados

A12..A0

Hab.

Decodificador 3-8A15A14A13

D2D1D0Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

A12..

A0

Da

dos

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.


92


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.

I9

I8

I7

I6

I5

I4

I3

I2

I1

I0

Q3

Q2

Q1

Q0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

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.



93

Procedimento

Nesta experiência iremos montar um circuito com decodificador BCD-Decimal e, em

seguida, um circuito com decodificador Decimal-BCD.


Decodificadores são muito utilizados na interface entre processadores e

microcontroladores e seus periféricos.




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?


94


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.



95

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.


96


Experiência 12: Memória RAM

Objetivo

Montar um circuito com uma memória RAM;


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-



97

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, utilizando-

se 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


98


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



99

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

existente no barramento).

A0A1A2A3A4

A5A6A7A8A9A10

A11A12A13A14

D0D1D2D3D4D5D6D7

CS

OE

WR

Memória 32K x 8

Ba

rram

en

to E

nd

ere

ço

s

Ba

rra

me

nto

Da

dos

Ba

rram

en

to C

on

tro

le


100


Procedimento

Nesta experiência iremos utilizar um circuito digital contendo uma memória RAM,

para armazenar dados que serão inseridos através de geradores de níveis lógicos.


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.




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?



101

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).


102


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 Dado Lido

Binário Decimal Binário Decimal 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



103

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


104


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?



105


106


Experiência 13: Conversor D/A

Objetivo

Montar um circuito com um conversor D/A do tipo R-2R


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:

Conversor D/A 4 bits

D0

D1

D2

D3

Saída



107

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


108


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.

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.

0

1

2

3

4

5

6

1

12

23

34

45

56

67

78

89

10

0

11

1

12

2

13

3

14

4

15

5

16

6

17

7

18

8

19

9

21

0

22

1

23

2

24

3

25

4

Val

or

da

Saíd

a (V

)

Valor da Entrada

Saida Conv. 4Bits

Saida Conv. 8Bits



109

Procedimento

Nesta experiência iremos utilizar um conversor D/A, construído com malha R-2R,

para converter valores digitais em analógico.


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 alto-

falante.




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,


110


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



111

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:


112


7. Cite algumas aplicações em que o conversor D/A poderia ser utilizado em

conjunto com outros dispositivos que aprendemos ao longo do curso:



113


114


Experiência 14: Conversor A/D

Objetivo

Montar um circuito com um conversor A/D


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



115

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.


116


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.

Entrada

D0

D1

D2

D3

Conversor A/D 4 bits

SOC EOC



117

Procedimento

Nesta experiência iremos utilizar um conversor A/D, baseado em um circuito

integrado bastante difundido, o ADC0809.


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.




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


118


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



119

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.


120


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.



121


122


Experiência 15: Multiplexadores e Demultiplexadores

Objetivo

Montar um circuito com Mux e Demux


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



123

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:

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.

E0

E1

S

Saída


124


Procedimento

Nesta experiência iremos construir um circuito com um multiplexador e um

demultiplexador.


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.




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.



125

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:


126



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



127

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.


128


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