UFRGSluiz.ferreira/downloads/tutor_montage... · UFRGS Universidade Federal do Rio ... Nesta...

UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Departamento de Engenharia ElétricaENG04427 – Técnicas Digitais

Montagem de circuitos digitaisProf. Alberto Bastos do Canto Filho

1 IntroduçãoO objetivo deste tutor é apresentar:

● Os documentos necessários para a montagem de protótipos em matrizes de contatos (protoboard);

● As práticas de montagem a partir da documentação;

2 Documentação para a montagemA documentação utilizada para a montagens em matrizes de contato é composta pelos seguintes partes:

● Lista de componentes● Tabela de posições● Diagrama de montagem

2.1 Lista de ComponentesA Figura 2.1 mostra a lista de componentes. Trata-se de um documento cujo objetivo é orçamento e compras.

Lista de ComponentesUns ID Descrição Uso R$

1 SN74HC04 6 6 5 1 R$ 1,20 R$ 1,201 SN74HC00 4 portas NAND, 2 entradas 4 4 2 2 R$ 1,20 R$ 1,201 SN74HC10 3 portas NAND de 3 entradas 3 3 3 0 R$ 1,00 R$ 1,001 SN74HC20 2 portas NAND de 4 entradas 2 2 2 0 R$ 1,00 R$ 1,001 DIP SW 4 4 4 4 0 R$ 2,00 R$ 2,004 R 1k 1/8 Resistor de 1K 1/8W 1 4 4 0 R$ 0,05 R$ 0,204 R 470 1/8 Resistor de 470, 1/8W 1 4 4 0 R$ 0,05 R$ 0,201 1 1 1 0 R$ 0,80 R$ 0,801 1 1 1 0 R$ 90,00 R$ 90,001 1 1 1 0 R$ 4,30 R$ 4,30

Total R$ 101,90

Prt/ Un Prt Total Disp. R$/Un6 portas inversoras

DIP switch, c/4 chaves

Led LedProtoboard Protoboard 1680 pontosDisplay 7 seg Display 7 segmentos, 10 pinos,

anodo comum

Figura 2.1: Lista de Componentes

Tutor montagens 1 de 26

2.2 Tabela de Posições

A Figura 2.2 mostra uma tabela de posições. Seu objetivo é definir o posicionamento de cada um dos componentes no protoboard. Também nesta tabela especifica-se a alimentação dos circuitos integrados.A definição das posições obedece um conjunto de convenções que devem ser conhecidas pelo engenheiro projetista e pelo técnico responsável pela montagem do protótipo. A seguir serão apresentadas as convenções utilizadas neste tutorial.

2.2.1 ProtoboardA matriz de contatos (protoboard) possui um sistema de identificação de cada um de seus contatos através de um sistema de coordenadas cartesianas (Figura 2.3).

Figura 2.3: Localização dos contatos


Figura 2.2: Tabela de posições

Tabela de PosiçõesID Posição

SN74HC04 AF08 7 14SN74HC00 AF40 7 14SN74HC10 AF20 7 14SN74HC20 AF30 7 14DIP SW 4 AF02 - -R 1k 1/8 AA02AX - -R 1k 1/8 AA03AX - -R 1k 1/8 AA04AX - -R 1k 1/8 AA05AX - -R 470 1/8 AB5357 - -R 470 1/8 AA5458 - -R 470 1/8 AJ5357 - -R 470 1/8 AJ16AT - -LED AI1615 - -Display 7 seg AH50 - -

GND (AY;AZ)

Vcc (AX;AT)

Figura 2.4: Protoboard 1680 furos

A Figura 2.4 mostra um protoboard de 1680 contatos. Observe que a numeração das colunas atribui o número 1 para a primeira coluna das linhas de alimentação.

Observe as linhas de alimentação identificadas como AX, AY, AZ, ATBX, BY, BZ, BT.

2.2.2 Circuitos IntegradosOs circuitos integrados utilizados neste tutorial possuem o encapsulamento do tipo DIP (Dual In-line Package), com 14 pinos.

Figura 2.5: DIP 14

A Figura 2.5 mostra um integrado com encapsulamento do tipo DIP (Dual In-line Package) com 14 pinos. Observe:

• a convenção utilizada para a numeração dos pinos;

• a posição do pino 1;


ID Posição

SN74HC04 AF08 7 14

SN74HC00 AF40 7 14

SN74HC10 AF20 7 14

SN74HC20 AF30 7 14

GND (AY;AZ)

Vcc (AX;AT)

Figura 2.6: Posições dos circuitos integrados

Na convenção utilizada para especificação de posicionamento dos circuito integrados, é informado pela posição pino 1.Assume-se que o pino número 2 esteja no contato de numeração subseqüente.

Tomando como exemplo o integrado 74HC04, cujo posicionamento é AF08 (Figura2.7), assume-se um posicionamento tal que:

• o pino 1 esteja posicionado no contato AF08• o pino 2 esteja posicionado no contato AF09

Figura 2.7: Posicionamento de CI em AF08

Também na tabela de posicionamento são fornecidas as informações sobre a alimentação:

• Alimentação Vcc (+5V): linhas AY e AZ;• Alimentação GND (0V) : AX e AT;• Pinos de alimentação dos circuitos integrados.

2.2.3 ResistoresA posição dos resistores é definida por 6 dígitos (letras LL ou números NN). Existem dois tipos de convenção referentes à identificação da posição de resistores no protoboard:

● LL1NNLL2: Define-se o contato inicial como LL1NN e o contato final como LL2NN. Exemplo - AA02AX – resistor colocado entre os contatos AA02 e AX02

● LLNN1NN2: Define-se o contato inicial como LLNN1 e o contato final como LLNN2. Exemplo – AB5357 – resistor colocado entre os contatos AB53 e AB57


O mesmo tipo de convenção pode ser utilizado para qualquer tipo de dispositivo com dois terminais. No caso de dispositivos com polaridade:

• diodos: primeiro contato especifica o anodo; por exemplo AI1615 indica que o Led deve ser colocado com o ânodo no contato AI16 e o cátodo no contato AI15.

• capacitores eletrolíticos: primeiro contato especifica o positivo.

2.2.4 Display de 7 SegmentosA Figura 2.8 mostra os pinos do display de 7 segmentos, visto de cima. A convenção utilizada para a especificação da posição é idêntica àquela utilizada para circuitos integrados.

Figura 2.8: Display de 7 segmentos

2.2.5 DIP Switches

Figura 2.9: DIP 4

O posicionamento das chaves do tipo DIP Switch obedece ao mesmo padrão dos circuitos integrados, observando-se a numeração de pinos definida na Figura2.9.

3 Diagrama de MontagemO diagrama de montagem tem por objetivos:

• definir as conexões entre os componentes;• descrever o funcionamento do circuito.

Observe na Figura 3.1:• o desenho da fonte de alimentação e dos contatos reservados para Vcc e GND• a possibilidade de identificação dos componentes e pinos que devem ser

conectados• a descrição do funcionamento do circuito• a utilização de um gerador de estímulos controlando chaves comandadas por

tensão, possibilitando a simulação a abertura e fechamento das chaves


Figura 3.1: Diagrama de montagem


4 Montar a protótipoNesta secção serão apresentados os passos para a montagem de um protótipo a partir da documentação disponível (Figura 2.1, Figura 2.2 e Figura 3.1).

4.1 Montagem passo a passo1. Providenciar os componentes necessários para montagem, a partir da lista de

componentes (Figura 2.1);

2. Providenciar o conjunto mínimo de ferramentas e fios necessários para a montagem e testes:

• protoboard• fios• alicate de corte• alicate• multiteste• fonte de alimentação de 5V

3. Posicionar os componentes no protoboard, fazendo uso das especificações de posição constantes na Figura 2.2;

4. Alimentar os circuitos integrados, conectando os seus pinos de alimentação a Vcc e GND, conforme especificado na Figura 2.2. A Figura 4.1 mostra o protoboard após o posicionamento dos componente e alimentação.


Figura 4.1: Montagem após posicionamento dos componentes e alimentação

5. Tenha em mãos uma versão impressa do diagrama de montagem (Figura 3.1). • coloque um fio entre

• pino 2; AF40• pino 8, AF30

• com uma caneta de cor diferente, marque a conexão realizada sobre o diagrama impresso (Figura 4.2)

Figura 4.2: Marcar no diagrama as conexões já implementadas

6. Repetir o procedimento descrito no passo 5 acima, até concluir as conexões do circuito.


5 Elaboração da documentação de Montagem

Após a conclusão do projeto lógico, o deve-se realizar um conjunto de atividades necessárias para obtenção da documentação de montagem:

● revisão do projeto lógico● especificação dos componentes● projeto do sistema de excitação e monitoramento● simulação com os componentes selecionados● projeto do sistema de monitoramento

Este tutor será desenvolvido, partindo-se do projeto lógico apresentado na Figura 5.1.

Figura 5.1: Projeto lógico inicial

5.1 Otimização do Projeto

Figura 5.2: Circuito equivalente com NANDs

Normalmente a otimização tem por objetivo a minimização dos custos ou prazos. Neste exemplo, o será implementado o circuito apresentado na Figura 5.2, equivalente ao circuito da Figura 5.1. O circuito da Figura 5.2 pode ser implementado com apenas dois integrados, enquanto o circuito original (Figura 5.1) necessitaria um integrado a mais.


5.2 Elaborar a Lista de Necessidades

5.2.1 Diagrama Inicial de MontagemA Lista de necessidades necessita um esquemático com todos os componentes parcialmente especificados. A Figura 5.3 possui as chaves, resistências e Leds necessários para a montagem final do circuito.

A lista de necessidades pode ser obtida com auxílio do Microcap 7, através do menu File..Tranlate..Bill of Materials

A Figura 5.4 mostra a lista de materiais gerada pelo Microcap 7 para o circuito mostrado na Figura 5.3. Com base nesta lista é possível definir os componentes que serão utilizados. Bill of MaterialsEXOR NAND 00.CIR Item Type Value Qnt Power Cost Cost Parts1 Resistor 470 1 0 0.0000 0.0000 R12 Resistor 1K 2 0 0.0000 0.0000 R2,R33 Diode $GENERIC 1 0 0.0000 0.0000 LED4 Switch 2 0 0.0000 0.0000 Part1,Part25 INV DLY_TTL 2 0 0.0000 0.0000 U4,U56 NAND DLY_TTL 3 0 0.0000 0.0000 U1,U2,U3Total 11 0 0.00

Figura 5.4: Lista de materiais gerada pelo Microcap

Observe que o componente 74LS00 possui 4 portas NAND; portanto um único CI atende com sobra à necessidade de 3 portas NAND.


Figura 5.3: Diagrama inicial de montagem

Nota: os motivos das escolhas de configurações de chaves e LEDs serão detalhados posteriormente.

5.2.2 Selecionar os ComponentesA seleção de componentes é feita a partir de manuais ou da Internet. Neste exemplo, será considerado:

• Utilização da tecnologia TTL – LS• Pesquisa no site da Texas http://www.ti.com• Opcionalmente, pode-se utilizar os manuais de componentes. O manual de

componentes Texas pode ser baixado do site h ttp://www-s.ti.com/sc/psheets/scyd013/scyd013.pdf

A seguir, será mostrado passo a passo um exemplo de pesquisa no site da texas

1. selecionar o site de pesquisa, menu Logic

2. selecionar a família TTL – LS


http://www.ti.com/

http://www-s.ti.com/sc/psheets/scyd013/scyd013.pdf

3. localizar as opções de portas NAND. Selecionar o SN74LS00: um CI que possui quatros portas NAND de 2Entradas (Quad 2-Input Positive-NAND gates); selecionae o SN74LS00

4. Fazer o download da documentação do CI

5. Repetir o procedimento acima para localizar o CI SN74LS04 (portas inversoras)

5.2.3 Elaborar Lista de ComponentesCom os dados disponíveis até o momento, é possível elaborar a lista incompleta de componentes apresentada na Figura 5.5

Lista de ComponentesUns ID Descrição Uso R$

1 SN74LS04N 6 6 2 4 R$ 1,50 R$ 1,501 SN74LS00N 4 4 2 2 R$ 1,50 R$ 1,501 DIP SW 4 4 4 2 2 R$ 2,50 R$ 2,502 R 1k 1/8 Resistor de 1K 1/8W 1 2 2 0 R$ 0,05 R$ 0,101 R 470 1/8 Resistor de 470, 1/8W 1 1 1 0 R$ 0,05 R$ 0,051 LED LED 1 1 1 0 R$ 0,80 R$ 0,80

Total R$ 6,45

Prt/ Un Prt Total Disp. R$/Un6 portas inversoras4 portas NAND, 2 entradasDIP switch, c/4 chaves

Figura 5.5: Lista de Componentes

Observação: A referência de preço unitário pode ser obtida em sites de fornecedores de componentes.


5.2.4 Elaborar Tabela de PosiçõesDefinir a posição dos componentes e elaborar a tabela de posições

Figura 5.6: Tabela de Posições

5.2.5 Elaborar Esquemático1. Imprimir o diagrama de montagem inicial e acrescentar as informações

adicionais:● fonte;● componente● posição● gerador de estímulos (para simulação)

No microcap, criar uma nova versão, substituindo as portas lógicas do tipo “Digital Pimitives” por portas do tipo “Digital Library”:

1. Abrir o arquivo com o Diagrama inicial de montagem;


ID Posição

SN74LS04N AF08 7 14SN74LS00N AF20 7 14DIP SW 4 AF02 - -R 1k 1/8 AA02AX - -R 1k 1/8 AA03AX - -R 470 1/8 AJ30AT - -

GND (AY;AZ)

Vcc (AX;AT)

2. Remover as portas lógicas

3. Selecionar o componente 7400. Observe que o componente utilizado (74LS00) não está habilitado na versão de estudante do Microcap 7.0. O componente 7400 pode ser utilizado para substituí-lo, tendo em vista sua compatibilidade ao nível de lógica e pinagem.

4. Adicione a porta NAND no local correspondente à posição AF20-A e ajuste suas propriedades:• Pin Numbers: marcar a check box, para que os números dos pinos sejam

mostrados• PART: AF20-A• PACKAGE: DIP14 (Tipo de encapsulamento Dual In-Line, 14 pinos)• GATE: A (Porta A, do integrado posicionado em AF20)A figura a seguir mostra como deve ficar o diálogo de propriedades da porta NAND adicionada


5. Repetir o procedimento descrito no passo 4 para as demais portas lógicas. Após a adição de todas as portas, o esquemático deve parecer-se com a figura a seguir:

6. Atualizar os resistores e o diodo:• tornar visível a propriedade Part;• atualizar a propriedade Part, colocando o identificador de posicionamento

do componente

7. Acrescentar a fonte


8. Acrescentar textos de comentário, identificando as linhas de alimentação

9. Acrescentar o gerador de estímulos, utilizado exclusivamente para fins de simulação:

Command: 0 00 200n 01 400n 10 600n 11Part: tornar invisível:

10.Atualizar as chaves:• tornar visível a propriedade Part;• atualizar a propriedade Part, colocando o identificador de

posicionamento da chave• propriedade Value: V,0,1

• V: informa que se trata de uma chave controlada por tensão• 0: tensão 0 abre a chave• 1: tensão 1 fecha a chave

• observação: utiliza-se a chave controlada por tensão com a finalidade de possibilitar a simulação do circuito; O controle das chaves e o gerador de estímulos não fazem parte da documentação de montagem

11.O esquemático fina deve parecer-se com a figura a seguir:


6 Estudo das características elétricasA montagem de um protótipo a partir do projeto lógico deve ter em mente as grandezas elétricas correspondentes aos valores lógicos. É usual estabelecer uma correspondência entre valores lógicos e valores de tensão, conforme mostra a Tabela6.1.

Tabela 6.1: Equivalência entre valores lógicos e valores de tensão

Valor lógico

Valor de Tensão

0 L

1 H

Os valores H e L, referem-se a níveis de tensão:

● High (tensão alta)

● Low (tensão baixa)

A Figura 6.1 a seguir mostra um exemplo de tabela verdade apresentada para uma porta NAND no manual do componente.

Figura 6.1: Exemplo de tabela verdade apresentada nos manuais

Os valores de tensão H e L dependem de diversos aspectos tais como a tecnologia (TTL, CMOS, ...), a tensão de alimentação, e do local de medição (sinal de entrada ou de saída). Neste tutorial será realizada uma breve análise dos componentes da família TTL LS.

6.1.1 Tensões de entrada

Figura 6.2: tensão de entrada

A Figura 6.2 mostra o local de medição da tensão de entrada VI. Os níveis de tensão de entrada especificadas pelo VI. são:

● VIH: tensão de entrada alta; nível lógico 1

● VIL: tensão de baixa alta; nível lógico 0


A Figura 6.3 ao lado mostra os limites de tensão de alimentação e tensões VIL e VIHpara o integrado 74LS00.

Figura 6.4: Tensões para tecnologia 74AC

A Figura 6.5 ao lado mostra os limites de tensão de alimentação e tensões VIL e VIHpara o integrado 74AC00.Observe que esta tecnologia possui maior flexibilidade quanto a tensão de alimentação, e que os limites de tensão de entrada variam conforme as condições de alimentação.

6.1.2 Correntes de Entrada

Figura 6.5: Corrente de entrada

As correntes de entrada (Figura 6.5) variam conforme o nível de tensão de entrada:

● IIH: corrente de entrada para tensão de entrada alta (entrada em 1)

● IIL: corrente de entrada para tensão de entrada baixa (entrada em 0)

Analogamente às tensões, as correntes de entrada também possuem especificações diversas, conforme a tecnologia, e condições de medição.As figuras 6.6 e 6.7 a seguir mostram diferenças nas correntes de entrada, em função da tecnologia. Os manuais dos componentes apresentam ainda outros detalhes tais como a influência da temperatura.


Figura 6.3: níveis de tensão TTL - LS

Figura 6.6: Correntes de entrada 74LS00

Figura 6.7: Correntes de entrada 74AC00

Exercício 6.1: pull down

Figura 6.8: Entrada com resistência para terra

A Figura 6.8 ao lado mostra um circuito no qual uma porta lógica é ligada à terra através de uma resistência.

● Considere os limites para VIL e IIL da mostrados nas figuras 6.3 e 6.6 (74LS), e calcule o maior valor de resistência que pode ser utilizado;

● Repita os cálculos considerando os limites mostrados para a família 74AC (figuras 6.4 e 6.7).


Exercício 6.2: Pull up

Figura 6.9: Entrada com resistência para Vcc

Repetir o exercício anterior, considerando o circuito mostrado na Figura 6.9 ao lado.

6.1.3 Uso de chaves nas entradasVárias alternativas podem ser utilizadas para simular estímulos num circuito combinacional. A tabela abaixo mostra alguns dispositivos mecânicos que podem ser utilizados para este fim.

Tabela 6.2: Chaves de 2 ou 3 polos

Chaves (Toggle switches)

Botões (Pushbutton) circuito

2 polos

3 polos


http://www.jameco.com/webapp/wcs/stores/servlet/ProductDisplay?langId=-1&storeId=10001&catalogId=10001&productId=116525







Figura 6.10: uso de chave de 3 polos

A Figura 6.10 ao lado mostra como utilizar uma chave de 3 polos para gerar sinais 1 ou 0

Figura 6.11: uso de chave de 2 polos

A Figura 6.11 ao lado mostra como utilizar uma chave de 2 polos para gerar sinais 1 ou 0

Figura 6.12: chave de 2 polos (pull down)

A Figura 6.12 ao lado mostra uma outra configuração para utilização de uma chave de 2 polos. Atenção: quando utilizar esta configuração com tecnologia TTL, deve-se tomar o cuidado de calcular o valor de R adequado. (veja o Exercício 6.1)

6.1.4 Tensões e Correntes de SaídaAs tensões e correntes de saída são definidas segundo o mesmo tipo de notação visto anteriormente para tensões e correntes de entrada. A Figura 6.13 mostra o ponto de medição das tensões e correntes de saída.


● VOL: Tensão de saída baixa (Low); valor de tensão quando a saída possui valor lógico 0

● VOH: Tensão de saída alta (High); valor de tensão quando a saída possui valor lógico 1

● IOL: corrente de saída baixa (Low); valor de corrente máxima quando a saída possui valor lógico 0

● IOH: corrente de saída alta (High); valor de corrente máxima quando a saída possui valor lógico 1

Figura 6.13: Tensões e correntes

As figuras 6.14 e 6.15 mostram os limites de tensão e corrente das tecnologias 74LS e 74AC.

Figura 6.14: Tensões e correntes de saída do 74LS00

Figura 6.15: Tensões e correntes de saída do 74AC00


Exercício 6.3: Resistências de carga

Figura 6.16: Saída com resistência para Vcc

Considerando Figura 6.16 ao lado e os limites de tensão e corrente apresentados nas figuras 6.15 e 6.14, calcular o menor valor de R:

● para a tecnologia 74LS● para a tecnologia 74AC

●

Figura 6.17: Saída com resistência para terra

Repetir os cálculos para a Figura 6.17 ao lado.●

6.1.5 Acionamento de LEDs nas Saídas

Figura 6.18: LED

O estado de uma saída pode ser monitorado com o uso de LEDs (Light Emitting Diode), como o mostrado na Figura 6.18 ao lado.


Exercício 6.4: Acionamento de LED

Figura 6.19: Acionamento de LED

Figura 6.20: V X I de um LED

O circuito apresentado na Figura 6.19 ao lado pode ser utilizado para acender um LED quando o sinal IN assume o valor booleano 1. Assumindo-se que sejam necessários 10mA para alcançar um brilho adequado:

● calcular o valor de R.● Pode-se utilizar a tecnologia 74LS para

acender um LED desta forma?● Pode-se utilizar a tecnologia 74AC para

acender um LED desta forma? ●

Figura 6.21: Acionamento com saída em 1

Responda às questões anteriores considerando a configuração apresentada na Figura 6.21 ao lado.

Exercício 6.5: Acionamento de monstrador de 7 segmentosO monstrador de 7 segmento é um conjunto de 7 leds encapsulados num único componente.


Figura 6.22: monstradores de 7 segmentos

A Figura 6.22 mostra alguns exemplos de mostradores de 7 segmentos.

Cada um dos Leds do mostrador de 7 segmentos é identificado por uma letra, conforme mostra a Figura 6.23

Figura 6.23:Letras identificadoras dos segmentos

Figura 6.24: Conexão catodo comum e anodo comum

Uma característica relevante dos mostradores de 7 segmentos é o fato de possuirem a conexão interna dos cátodos de todos os diodos, disponibilizados por um único pino (catodo comum), conforme apresenta a Figura 6.24 ao lado.Repare a existência de um oitavo led RDP (Right Decimal Point).

Considerando a necessidade de projetar um decodificador binário-7 segmentos com tecnologia TTL LS e a consequente a necessidade de acender o led com nível lógico “0”:

• Que tipo de monstrador utilizaria (Catodo comum ou anodo comum)• Que arranjo de resistores faria?

6.2 Posicionamento dos ComponentesOs componentes utilizados na montagem devem ser identificados e posicionados no protoboard segundo convenções que permitam localizá-lo a partir do diagrama de montagem.

6.3 Identificação dos pinos de um CIPara identificar a pinagem, consulte os manuais.


A figura a seguir mostra a pinagem do 74LS00:

Observe as convenções utilizadas:• Pino 7 - GND: Ground (terra)• Pino 14 - Vcc: +5 V• Pino 1 – 1A: entrada A da porta NAND 1• Pino 2 – 1B: entrada B da porta NAND 1• Pino 3 – 1Y: Saída da porta NAND 1• Pino 4 – 2A: entrada A da porta NAND 2• Pino 5 – 2B: entrada B da porta NAND 2• Pino 6 – 2Y: Saída da porta NAND 2• Etc...

A figura a seguir mostra o 74LS04 segundo uma outra convenção:

tutor montagens 20060825.odt


UFRGSluiz.ferreira/downloads/tutor_montage... · UFRGS Universidade Federal do Rio ... Nesta...

Documents

Transcript of UFRGSluiz.ferreira/downloads/tutor_montage... · UFRGS Universidade Federal do Rio ... Nesta...